DE102020112276A1 - Power module - Google Patents

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DE102020112276A1 DE102020112276.4A DE102020112276A DE102020112276A1 DE 102020112276 A1 DE102020112276 A1 DE 102020112276A1 DE 102020112276 A DE102020112276 A DE 102020112276A DE 102020112276 A1 DE102020112276 A1 DE 102020112276A1
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Abstract

Es wird ein Halbleiter-Leistungsmodul beschrieben, das eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, umfasst. Der erste (verhältnismäßig leitende) Abschnitt des Substrats ist auf einer ersten Oberfläche des zweiten (verhältnismäßig isolierenden) Abschnitts befestigt, und der erste Abschnitt hat ein Dickenprofil, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert.A semiconductor power module is described that includes a plurality of power module components mounted on a substrate, the substrate having a first, electrically relatively conductive portion on which the power module components are mounted, and a second, electrically relatively insulating portion to which the first section is attached, comprises. The first (relatively conductive) portion of the substrate is attached to a first surface of the second (relatively insulating) portion, and the first portion has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf ein Halbleiter-Leistungsmodul.The present description relates to a semiconductor power module.

Technischer HintergrundTechnical background

Ein Halbleiter-Leistungsmodul kann eine oder mehrere wärmeerzeugende Komponenten umfassen, die auf einem Substrat befestigt sind. Das Substrat dient als mechanischer Träger für das Leistungsmodul und kann auch andere Funktionen, wie Wärmeübertragung und elektrische Verbindungen, übernehmen. Das Substrat kann Abmessungen haben, die durch den Bedarf der Wärmeübertragung vorgegeben sind. Obwohl viele Leistungsmodul-Konfigurationen bekannt sind, besteht in diesem Bereich noch Bedarf an weiteren Entwicklungen.A semiconductor power module may include one or more heat generating components mounted on a substrate. The substrate serves as a mechanical support for the power module and can also take on other functions, such as heat transfer and electrical connections. The substrate can have dimensions dictated by the need for heat transfer. Although many power module configurations are known, there is still a need for further development in this area.

KurzbeschreibungBrief description

In einer ersten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Halbleiter-Leistungsmodul, das eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat (z.B. einem direkt gebundenen Kupfersubstrat) befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, umfasst, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert.In a first embodiment, this specification describes a semiconductor power module comprising a plurality of power module components mounted on a substrate (e.g., a directly bonded copper substrate), the substrate having a first, electrically relatively conductive section on which the power module components are mounted , and a second, electrically relatively insulating portion on which the first portion is mounted, the first portion of the substrate being mounted on a first surface of the second portion and the first portion having a thickness profile extending in a direction parallel to the first Surface varies.

Mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats kann von dem zweiten Abschnitt des Substrats hervorragen. Alternativ kann eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats sein.At least a portion of the first portion of the substrate can protrude from the second portion of the substrate. Alternatively, an exposed surface of the first portion on which the power module components are mounted may be flush with the first or second surface of the second portion of the substrate.

In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet sein.In some exemplary embodiments, the first portion of the substrate can be at least partially embedded in the second portion of the substrate.

Das Dickenprofil des ersten Abschnitts des Substrats kann so eingestellt werden, dass es eine oder mehrere der folgenden Anforderungen erfüllt: eine Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit (z.B. ein elektrischer Leistungsbedarf von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); eine Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit (z.B. Anforderungen an die Wärmeableitung von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); und/oder eine Zuverlässigkeitsanforderung (z.B. Zuverlässigkeitsanforderungen von einem oder mehreren auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen).The thickness profile of the first portion of the substrate can be adjusted to meet one or more of the following requirements: an electrical conductivity requirement (e.g., an electrical power requirement of one or more power module components mounted on the substrate); a requirement for thermal conductivity (e.g. requirements for heat dissipation from one or more power module components mounted on the substrate); and / or a reliability requirement (e.g. reliability requirements of one or more power module components mounted on the substrate).

Der zweite Abschnitt des Substrats kann Kanäle für den Durchgang eines Kühlmittels aufweisen. Ferner kann der erste Abschnitt des Substrats in einer beispielhaften Ausführungsform Erweiterungen in den zweiten Abschnitt umfassen, die in unmittelbarer Nähe von mindestens einigen der Kanäle enden.The second portion of the substrate may have channels for a coolant to pass through. Furthermore, in an exemplary embodiment, the first section of the substrate can include extensions into the second section, which end in the immediate vicinity of at least some of the channels.

In einer zweiten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten umfasst, die auf einem Substrat (wie einem direkt gebundenen Kupfersubstrat) befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt umfasst, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats (zum Beispiel unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren und/oder Kaltgasspritzen), so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Das Verfahren kann die Modifizierung des ersten Abschnitts umfassen, um das Dickenprofil des ersten Abschnitts zu erzeugen.In a second embodiment, this specification describes a method for manufacturing a semiconductor power module, the semiconductor power module comprising a plurality of power module components mounted on a substrate (such as a directly bonded copper substrate), the substrate having a first, electrically relatively conductive A portion on which the power module components are mounted and a second, electrically relatively insulating portion on which the first portion is mounted, the first portion of the substrate being mounted on a first surface of the second portion, the method comprising: forming the first section of the substrate (for example using additive manufacturing processes and / or cold gas spraying), so that the first section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. The method may include modifying the first section to produce the thickness profile of the first section.

Mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats kann von den zweiten Abschnitt des Substrats hervorragen. Alternativ kann eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet sein.At least a portion of the first portion of the substrate can protrude from the second portion of the substrate. Alternatively, an exposed surface of the first portion on which the power module components are mounted may be flush with the first or second surface of the second portion of the substrate. In some exemplary embodiments, the first portion of the substrate can be at least partially embedded in the second portion of the substrate.

Das Verfahren kann die Bildung des zweiten Abschnitts des Substrats unter Verwendung additiver Herstellungsverfahren umfassen.The method may include forming the second portion of the substrate using additive manufacturing processes.

Einige beispielhafte Ausführungsformen umfassen ferner die Bildung einer isolierenden Abdeckung für die Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.Some example embodiments further include forming an insulating cover for the power module components using additive manufacturing processes.

In einer dritten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Entwerfen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform gebildet wird), wobei das Verfahren umfasst: Modellieren thermischer und/oder elektrischer Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls bei jedem einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts des Substrats; und Auswählen eines gewünschten Dickenprofils für den ersten Abschnitt des Substrats in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Modellierung.In a third embodiment, this description describes a method for designing a semiconductor power module as described above with reference to the first embodiment (or as it is in accordance with the method any aspect of the second embodiment), the method comprising: modeling thermal and / or electrical properties of the semiconductor power module at each of a plurality of thickness profiles of the first portion of the substrate; and selecting a desired thickness profile for the first portion of the substrate in dependence on the results of the modeling.

In einer vierten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung computerlesbare Instruktionen, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, (mindestens) irgendein Verfahren auszuführen, wie es mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.In a fourth embodiment, this description describes computer-readable instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out (at least) some method as described with reference to the second aspect.

In einer fünften Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium (z.B. ein dauerhaft computerlesbares Medium) mit darauf gespeicherten Programmbefehlen zur Durchführung (mindestens) eines beliebigen Verfahrens, wie es unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.In a fifth embodiment, this description describes a computer-readable medium (e.g. a permanent computer-readable medium) with program instructions stored thereon for performing (at least) any desired method, as is described with reference to the second aspect.

In einer sechsten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung eine Vorrichtung, die folgendes umfasst: mindestens einen Prozessor; und mindestens einen Speicher mit einem Computerprogrammcode, der, wenn er von dem mindestens einen Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass die Vorrichtung (mindestens) irgendein Verfahren ausführt, wie es unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt beschrieben ist.In a sixth embodiment, this specification describes an apparatus comprising: at least one processor; and at least one memory with a computer program code which, when executed by the at least one processor, causes the device to carry out (at least) some method as described with reference to the second aspect.

In einer siebten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform gebildet wird), wobei zumindest ein Teil des Halbleiter-Leistungsmoduls durch additive Herstellung gebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, das Halbleiter-Leistungsmodul herzustellen; und Herstellen des Halbleiter-Leistungsmoduls unter Verwendung des 3D-Druckers oder der additiven Herstellungsvorrichtung.In a seventh embodiment, this specification describes a method of manufacturing a semiconductor power module as described above with reference to the first embodiment (or as it is formed in accordance with the method of any aspect of the second embodiment), at least part of which A semiconductor power module is formed by additive manufacturing, the method comprising the steps of: providing a computer readable medium with computer executable instructions suitable for causing a 3D printer or additive manufacturing device to manufacture the semiconductor power module; and manufacturing the semiconductor power module using the 3D printer or the additive manufacturing apparatus.

In einer achten Ausführungsform beschreibt diese Beschreibung ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, einen Teil oder die Gesamtheit eines Halbleiter-Leistungsmoduls herzustellen, wie es oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist (oder wie es in Übereinstimmung mit dem Verfahren irgendeines Aspekts der zweiten Ausführungsform hergestellt wird).In an eighth embodiment, this description describes a computer-readable medium with computer-executable instructions suitable for causing a 3D printer or additive manufacturing device to manufacture part or all of a semiconductor power module as described above with reference to the first embodiment (or as made in accordance with the method of any aspect of the second embodiment).

FigurenlisteFigure list

Die beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der folgenden schematischen Zeichnungen lediglich beispielhaft beschrieben, in denen

  • 1 ein Querschnitt eines beispielhaften Halbleiterbauteils ist;
  • 2 ein Schaltplan eines beispielhaften Wechselrichters ist;
  • 3 ein Querschnitt eines Halbleiter-Leistungsmoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
  • 4 ein Flussdiagramm ist, das einen Algorithmus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
  • 5 bis 8 Querschnitte von Halbleiterbauelementen gemäß beispielhaften Ausführungsformen sind;
  • 9 ein Flussdiagramm ist, das einen Algorithmus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
  • 10 bis 15 Querschnitte von Halbleiterkomponenten in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen sind; und
  • 16 und 17 Flussdiagramme sind, die Algorithmen in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen zeigen.
The exemplary embodiments are described below with reference to the following schematic drawings, in which
  • 1 Figure 3 is a cross section of an exemplary semiconductor device;
  • 2 Figure 3 is a circuit diagram of an exemplary inverter;
  • 3 Figure 3 is a cross section of a semiconductor power module according to an exemplary embodiment;
  • 4th Figure 3 is a flow diagram showing an algorithm according to an exemplary embodiment;
  • 5 until 8th 6 are cross-sections of semiconductor devices in accordance with example embodiments;
  • 9 Figure 3 is a flow diagram showing an algorithm according to an exemplary embodiment;
  • 10 until 15th 10 are cross-sections of semiconductor components in accordance with exemplary embodiments; and
  • 16 and 17th Are flow charts showing algorithms in accordance with example embodiments.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Der Schutzumfang, der für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angestrebt wird, ist in den unabhängigen Ansprüchen festgelegt. Die in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale, falls vorhanden, die nicht in den Anwendungsbereich der unabhängigen Ansprüche fallen, sind als Beispiele zu verstehen, die zum Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beitragen.The scope of protection sought for various embodiments of the invention is defined in the independent claims. The embodiments and features described in the description, if any, which do not fall within the scope of the independent claims, are to be understood as examples which contribute to an understanding of the various embodiments of the invention.

In der Beschreibung und in den Zeichnungen beziehen sich gleichartige Ziffern durchgehend auf gleichartige Elemente.In the description and in the drawings, like numbers refer to like elements throughout.

1 ist ein Querschnitt eines Beispiel-Halbleitermoduls (z.B. eines Halbleiter-Leistungsmoduls), das allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Halbleitermodul 10 weist ein Substrat 11 und ein oder mehrere Halbleiterkomponenten 12 (z.B. Leistungsmodul-komponenten) auf. 1 Figure 13 is a cross-section of an example semiconductor module (e.g., a semiconductor power module), indicated generally by the reference numeral 10 is designated. The semiconductor module 10 has a substrate 11 and one or more semiconductor components 12th (e.g. power module components).

Im Beispiel-Modul 10 ist das Substrat 11 ein direkt gebundenes Kupfersubstrat (DBC), das zwei leitende Schichten (z.B. Metallschichten) mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht aufweist. Im Beispiel umfasst das Substrat 11 eine obere Metallschicht 13 und eine untere Metallschicht 15 sowie eine Isolierschicht 14. (Es ist zu beachten, dass das Substrat als ein direkt kupfergebundenes (DCB) Substrat bezeichnet werden kann - die Begriffe DBC und DCB sind im Allgemeinen austauschbar).In the example module 10 is the substrate 11 a directly bonded copper substrate (DBC) that has two conductive layers (e.g. metal layers) with an insulating layer in between. In the example, the substrate includes 11 an upper metal layer 13th and a lower metal layer 15th as well as an insulating layer 14th . (It should be noted that the substrate can be referred to as a direct copper bonded (DCB) substrate - the terms DBC and DCB are generally interchangeable).

Das Substrat 11 kann ein DBC-Substrat sein, das einen keramischen elektrischen Isolator mit Kupferschichten auf beiden Seiten aufweist. Die obere Metallschicht 13 (z.B. obere Kupferschicht) im Halbleitermodul 10 kann die für das Halbleitermodul erforderlichen Schaltungen bilden, wie weiter unten erläutert wird. Andere mögliche Substrate weisen DBA (direkt gebundenes Aluminium) auf.The substrate 11 may be a DBC substrate having a ceramic electrical insulator with copper layers on both sides. The top metal layer 13th (e.g. upper copper layer) in the semiconductor module 10 can form the circuits required for the semiconductor module, as will be explained below. Other possible substrates include DBA (directly bound aluminum).

Die Metallschichten 13 und 15 können aus Kupfer, Aluminium oder anderen in diesem Bereich gebräuchlichen Legierungen gebildet werden. Die Isolierschicht 14 kann ein beliebiges Isoliermaterial sein. Beispiele für Keramikschichten, die als Isolierschicht 14 verwendet werden können, sind unten aufgeführt, wobei dem Fachmann Alternativen bekannt sind:

  • • Aluminiumoxid (A1203), das wegen seiner niedrigen Kosten weit verbreitet ist. Es ist jedoch kein besonders guter Wärmeleiter (24-28 W/mK) und ist spröde.
  • • Aluminiumnitrid (AIN), das zwar teurer ist, aber eine weitaus bessere thermische Leistung (> 150 W/mK) aufweist.
  • • Berylliumoxid (BeO),
The metal layers 13th and 15th can be formed from copper, aluminum or other alloys commonly used in this field. The insulating layer 14th can be any insulating material. Examples of ceramic layers used as an insulating layer 14th are listed below, although alternatives are known to those skilled in the art:
  • • Aluminum oxide (A1203), which is widely used because of its low cost. However, it is not a particularly good conductor of heat (24-28 W / mK) and is brittle.
  • • Aluminum nitride (AIN), which is more expensive, but has a much better thermal performance (> 150 W / mK).
  • • beryllium oxide (BeO),

Die auf dem Substrat 11 befestigten Halbleiterbauelemente 12 können Halbleiterbauelemente wie Transistoren, IGBTs, MOSFETs und andere Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten enthalten, die zusammen die Schaltungen eines Halbleitermoduls zum Schalten elektrischer Ströme bilden (z.B. ein Leistungsmodul).The one on the substrate 11 attached semiconductor components 12th may contain semiconductor devices such as transistors, IGBTs, MOSFETs and other components such as resistors, capacitors and inductors, which together form the circuits of a semiconductor module for switching electrical currents (e.g. a power module).

2 ist zum Beispiel ein Schaltplan einer Beispiel-Wechselrichterschaltung, die allgemein durch das Bezugszeichen 20 bezeichnet ist und die verwendet werden kann, um den Schaltkreis eines Halbleiter-Leistungsmoduls zu bilden. Dem Fachmann sind viele alternative Schaltungen bekannt, die verwendet werden könnten. 2 For example, FIG. 3 is a circuit diagram of an example inverter circuit, generally designated by the reference number 20th and which can be used to form the circuit of a semiconductor power module. Many alternative circuits are known to those skilled in the art that could be used.

3 ist ein Querschnitt eines Halbleiter-Leistungsmoduls, das allgemein durch das Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform. 3 Figure 3 is a cross section of a semiconductor power module, indicated generally by the reference number 30th in accordance with an exemplary embodiment.

Das Halbleiter-Leistungsmodul 30 weist ein Substrat 31 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 32, wie z.B. den oben beschriebenen Komponenten des Wechselrichters 20, auf. (Der Übersichtlichkeit halber ist in 3 eine einzelne Leistungsmodul-Komponente dargestellt, wobei typischerweise jedoch mehrere Leistungsmodul-Komponenten vorgesehen sind). Das Substrat 31 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 33, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 34, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert. Beim Leistungsmodul 30 steht ein Teil oder die Gesamtheit des ersten Abschnitts des Substrats von dem zweiten Abschnitt des Substrats hervor.The semiconductor power module 30th has a substrate 31 with power module components attached to it 32 such as the components of the inverter described above 20th , on. (For the sake of clarity, in 3 a single power module component is shown, but typically several power module components are provided). The substrate 31 includes a first, electrically relatively conductive portion 33 , on which the power module components are attached, and a second, electrically relatively insulating section 34 on which the first portion is mounted, the first portion of the substrate being mounted on a first surface of the second portion and the first portion having a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. With the power module 30th some or all of the first portion of the substrate protrudes from the second portion of the substrate.

Das Substrat 31 kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 35 umfassen (wie in 3 dargestellt). Zum Beispiel kann das Substrat 31 ein direkt gebundenes Kupfersubstrat sein, wie oben mit Bezug auf 1 besprochen.The substrate 31 may have a third, electrically relatively conductive section 35 include (as in 3 shown). For example, the substrate can 31 be a directly bonded copper substrate, as above with reference to FIG 1 discussed.

Die Leistungsmodul-Komponenten 32 können auf dem Substrat 31 durch Löten, Sintern oder andere ähnliche Techniken befestigt werden.The power module components 32 can on the substrate 31 by soldering, sintering or other similar techniques.

Der erste Abschnitt 33 des Substrats 31 (auf dem die Leistungsmodul-Komponenten befestigt sind) kann für die Stromleitung zu und von den Leistungsmodul-Komponenten verwendet werden, die darauf befestigt sind. Prozesse wie Ätzen können verwendet werden, um den ersten Abschnitt 33 zu mehreren Leitern für die Verbindung der Komponenten auszubilden. Dies bildet die Schaltung des Halbleiter-Leistungsmoduls aus.The first paragraph 33 of the substrate 31 (on which the power module components are mounted) can be used for power conduction to and from the power module components mounted thereon. Processes like etching can be used to make the first section 33 to train multiple conductors for connecting the components. This forms the circuit of the semiconductor power module.

Der dritte Abschnitt 35 (falls vorgesehen) kann gekühlt werden, so dass die von den Leistungsmodulkomponenten erzeugte Wärme vom Modul weggeleitet werden kann. Wie unten erläutert, kann die Kühlung über Kühlkanäle erfolgen. Es sind jedoch auch andere Kühloptionen, wie Kühlkörper und Wärmeleiter, möglich, was für den Fachmann leicht ersichtlich ist.The third section 35 (if provided) can be cooled so that the heat generated by the power module components can be conducted away from the module. As explained below, the cooling can take place via cooling channels. However, other cooling options, such as heat sinks and heat conductors, are also possible, which is readily apparent to a person skilled in the art.

Wie in 3 gezeigt (und unten im Detail beschrieben) wird der erste Abschnitt 33 des Substrats 31 mit einer unterschiedlichen Dicke ausgebildet.As in 3 shown (and described in detail below) is the first section 33 of the substrate 31 formed with a different thickness.

4 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform. 4th Figure 13 is a flow chart showing an algorithm indicated generally by the reference numeral 40 in accordance with an exemplary embodiment.

Der Schritt 44 des Algorithmus 40 umfasst die Ausbildung eines ersten Abschnitts des Substrats (wie der oben beschriebene erste Abschnitt 33 des Substrats 31), so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Die Schicht des ersten Teils könnte mit Hilfe additiver Herstellungstechniken (z.B. durch 3D-Druck) erzeugt werden. Tatsächlich könnte das gesamte Substrat 3D-gedruckt werden.The step 44 of the algorithm 40 includes forming a first portion of the substrate (like the first portion described above 33 of the substrate 31 ), so that the first section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. The layer of the first part could be produced with the help of additive manufacturing techniques (e.g. by 3D printing). In fact, the entire substrate could be 3D printed.

Der Algorithmus 40 enthält einen optionalen Schritt 42, in dem ein Dickenprofil des ersten Abschnitts 33 des Substrats 31 eingestellt werden kann.The algorithm 40 includes an optional step 42 , in which a thickness profile of the first section 33 of the substrate 31 can be adjusted.

Das Dickenprofil des ersten Abschnitts des Substrats könnte auf der Grundlage vieler verschiedener Anforderungen eingestellt werden. Zu den Faktoren, die relevant sein könnten, gehören einer oder mehrere der folgenden:

  • • eine Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit (z.B. ein elektrischer Leistungsbedarf von Leistungsmodulbauteilen, die auf dem Substrat befestigt sind);
  • • eine Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit (z.B. Anforderungen an die Wärmeableitung von auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen); und/oder
  • • Eine Zuverlässigkeitsanforderung (z.B. Zuverlässigkeitsanforderungen von auf dem Substrat befestigten Leistungsmodulbauteilen).
The thickness profile of the first portion of the substrate could be adjusted based on a variety of requirements. Factors that may be relevant include one or more of the following:
  • • a requirement for electrical conductivity (eg an electrical power requirement of power module components that are attached to the substrate);
  • • a requirement for thermal conductivity (eg requirements for heat dissipation from power module components attached to the substrate); and or
  • • A reliability requirement (for example, reliability requirements for power module components attached to the substrate).

So kann z.B. die Dicke der Schicht 33 so bemessen sein, dass sie für die Schaltung an dieser Stelle ausreicht, aber nicht darüber hinausgeht, was erforderlich ist. Die Anforderung kann durch die Strombelastbarkeit des jeweiligen Leiters, der durch die Metallschicht an diesem Punkt gebildet wird, bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anforderung durch die Ableitung von Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten, die auf der Metallisierungsschicht der Oberseite befestigt sind, bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen können Dickenänderungen ausgebildet werden, um die Zuverlässigkeit des Moduls zu erhöhen, z.B. wenn „Grübchen“ oder andere Strukturen (z.B. Kerben) in der Metallisierungsschicht ausgebildet werden, um Spannungen während des Betriebs abzubauen.For example, the thickness of the layer 33 be sized so that it is sufficient for the circuit at this point, but not beyond what is required. The requirement can be determined by the current carrying capacity of the respective conductor, which is formed by the metal layer at this point. Alternatively or additionally, the requirement can be determined by the dissipation of heat from the heat-generating components which are attached to the metallization layer on the upper side. In other embodiments, changes in thickness can be implemented in order to increase the reliability of the module, for example if “pits” or other structures (eg notches) are formed in the metallization layer in order to relieve stresses during operation.

5 bis 8 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von Halbleiter-Leistungsmodulen 50, 60, 70 und 80, die eine Metallisierung der Oberseite mit variablen Dicken entsprechend den beispielhaften Ausführungsformen zeigen. 5 until 8th illustrate various embodiments of semiconductor power modules 50 , 60 , 70 and 80 10, which show a metallization of the top with variable thicknesses according to the exemplary embodiments.

5 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 50 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 50 besteht aus einem Substrat 51 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 52. Das Substrat 51 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 53, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 54, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 55 umfassen. 5 Fig. 3 is a cross section of the semiconductor power module 50 according to an exemplary embodiment. The semiconductor power module 50 consists of a substrate 51 with power module components attached to it 52 . The substrate 51 includes a first, electrically relatively conductive portion 53 on which the power module components are mounted; a second, electrically relatively insulating section 54 on which the first section is attached; and may have a third, electrically relatively conductive section 55 include.

6 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 60 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 60 weist ein Substrat 61 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 62 auf. Das Substrat 61 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 63, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 64, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 65 umfassen. 6th Fig. 3 is a cross section of the semiconductor power module 60 according to an exemplary embodiment. The semiconductor power module 60 has a substrate 61 with power module components attached to it 62 on. The substrate 61 includes a first, electrically relatively conductive portion 63 on which the power module components are mounted; a second, electrically relatively insulating section 64 on which the first section is attached; and may have a third, electrically relatively conductive section 65 include.

7 ist ein Querschnitt des Halbleiter-Leistungsmoduls 70 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 70 weist ein Substrat 71 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 72 auf. Das Substrat 71 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 73, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind; einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 74, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist; und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 75 umfassen. Die Leistungsmodulkomponenten 72 sind in einem Verkapselungsstoff 76 eingekapselt. 7th Fig. 3 is a cross section of the semiconductor power module 70 according to an exemplary embodiment. The semiconductor power module 70 has a substrate 71 with power module components attached to it 72 on. The substrate 71 includes a first, electrically relatively conductive portion 73 on which the power module components are mounted; a second, electrically relatively insulating section 74 on which the first section is attached; and may have a third, electrically relatively conductive section 75 include. The power module components 72 are in an encapsulant 76 encapsulated.

8 ist ein Querschnitt durch das Halbleiter-Leistungsmodul 80 nach einer beispielhaften Ausführungsform. Das Halbleiter-Leistungsmodul 80 weist ein Substrat 81 mit darauf befestigten Leistungsmodulkomponenten 82 auf. Das Substrat 81 umfasst einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 83, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt 84, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, und kann einen dritten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt 85 umfassen. Der erste Teil 83 enthält Kerben (im Allgemeinen durch die Bezugszeichen 86a und 86b bezeichnet). Zum Beispiel können die Kerben 86 niedrigere Spannungsniveaus (z.B. Spannungsfelder) in der Isolierschicht ermöglichen, so dass das Substrat 81 eine höhere Qualität und Festigkeit haben kann. Im Gebrauch sind Halbleiter-Leistungsmodule typischerweise zyklischen Temperaturschwankungen der verschiedenen Komponenten in ihnen ausgesetzt. Solche Temperaturänderungen können zu unterschiedlichen Ausdehnungen in Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen, wodurch Spannungen auftreten. Solche Spannungen können zur Bildung von Rissen oder zumindest zur Delaminierung zwischen verschiedenen Materialien führen. Solche Schäden sind oft der Grund für das Versagen eines Bauteils, und dies zu vermeiden ist wichtig, um die Zuverlässigkeit eines Halbleiter-Leistungsmoduls zu erhöhen. Das Vorhandensein von Kerben (wie z.B. der Kerben 86a und 86b) kann die Scherspannung verringern, die durch den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem verhältnismäßig leitenden und dem verhältnismäßig isolierenden Abschnitt verursacht wird. Sie kann auch die Scherspannung verringern, die durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen des verhältnismäßig leitenden Abschnitts und einer Verkapselung, die den verhältnismäßig leitenden Abschnitt einkapselt, verursacht wird. 8th Fig. 3 is a cross section through the semiconductor power module 80 according to an exemplary embodiment. The semiconductor power module 80 has a substrate 81 with power module components attached to it 82 on. The substrate 81 includes a first, electrically relatively conductive portion 83 on which the power module components are attached, a second, electrically relatively insulating section 84 , on which the first section is attached, and can have a third, electrically relatively conductive section 85 include. The first part 83 contains notches (generally by the reference numerals 86a and 86b designated). For example, the notches 86 allow lower voltage levels (e.g. stress fields) in the insulating layer, so that the substrate 81 can have a higher quality and strength. In use, semiconductor power modules are typically exposed to cyclical temperature fluctuations of the various components in them. Such temperature changes can lead to different expansions in materials with different coefficients of thermal expansion, as a result of which stresses occur. Such stresses can cause cracking or at least delamination between different materials to lead. Such damage is often the cause of component failure and avoiding it is important to increase the reliability of a semiconductor power module. The presence of notches (such as the notches 86a and 86b ) can reduce the shear stress caused by the difference in thermal expansion between the relatively conductive and relatively insulating sections. It can also reduce the shear stress caused by differences in thermal expansions of the relatively conductive portion and an encapsulation that encapsulates the relatively conductive portion.

Daher sind die Halbleiter-Leistungsmodule 50, 60, 70 und 80 ähnlich wie das oben beschriebene Leistungsmodul 30.Hence the semiconductor power modules 50 , 60 , 70 and 80 similar to the power module described above 30th .

Beim Halbleiter-Leistungsmodul 50 ist eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts 52 des Substrats 51 bündig zu einer Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats.With the semiconductor power module 50 is an exposed surface of the first section 52 of the substrate 51 flush with a surface of the second portion of the substrate.

Bei den Halbleiter-Leistungsmodulen 50, 60 und 70 ist der erste Abschnitt des Substrats in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet.With the semiconductor power modules 50 , 60 and 70 the first portion of the substrate is embedded in the second portion of the substrate.

Die Halbleiter-Leistungsmodule können teilweise oder vollständig in das Substrat eingebettet sein. Beim Leistungsmodul 60 beispielsweise sind die Leistungsmodulkomponenten 62 in den ersten Abschnitt des Substrats eingebettet, so dass die Leistungsmodulkomponenten bündig mit der Oberfläche des Substrats abschließen.The semiconductor power modules can be partially or completely embedded in the substrate. With the power module 60 for example are the power module components 62 embedded in the first section of the substrate so that the power module components are flush with the surface of the substrate.

9 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 90 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet ist. 9 Figure 13 is a flow chart showing an algorithm indicated generally by the reference numeral 90 is designated according to an exemplary embodiment.

Der Algorithmus 90 beginnt mit einem optionalen Schritt 91, bei dem ein Dickenprofil eines ersten (elektrisch verhältnismäßig leitenden) Abschnitts (z.B. obere Metallschicht) eines Substrats eingestellt wird (ähnlich dem oben beschriebenen Schritt 42). Alternativ kann das Dickenprofil auch extern abgerufen werden, anstatt eingestellt zu werden. Es ist zu beachten, dass die Dicke und/oder die Dickenprofile anderer Abschnitte des Substrats ebenfalls im Schritt 91 eingestellt werden können.The algorithm 90 starts with an optional step 91 , in which a thickness profile of a first (electrically relatively conductive) section (eg upper metal layer) of a substrate is set (similar to the step described above 42 ). Alternatively, the thickness profile can also be called up externally instead of being set. It should be noted that the thickness and / or the thickness profiles of other sections of the substrate are also in step 91 can be adjusted.

Als nächstes wird im Schritt 92 ein zweiter (elektrisch verhältnismäßig isolierender) Abschnitt gebildet, der z.B. auf einen dritten (verhältnismäßig leitenden) Abschnitt (z.B. einer unteren Metallschicht) eines Substrats befestigt wird.Next is in step 92 a second (electrically relatively insulating) section is formed, which is attached, for example, to a third (relatively conductive) section (for example a lower metal layer) of a substrate.

Bei einem optionalen Schritt 93 kann der zweite Abschnitt so modifiziert werden, dass der zweite Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts variiert. Zum Beispiel kann der zweite Abschnitt modifiziert werden, indem der zweite Abschnitt zunächst mit einem konstanten Dickenprofil ausgebildet wird (z.B. im Schritt 92) und dann selektiv geätzt wird, um ein variables Dickenprofil zu erzeugen. Alternativ kann dieser Modifizierungsschritt weggelassen werden, indem der zweite Abschnitt so ausgebildet wird (z.B. mit 3D-Druck; im Schritt 92), dass der zweite Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts variiert. In einer weiteren Ausführung kann der zweite Abschnitt eine flache obere Oberfläche haben, so dass keine Formung des zweiten Abschnitts erforderlich ist.At an optional step 93 For example, the second section can be modified such that the second section has a thickness profile that varies in a direction parallel to a first surface of the second section. For example, the second section can be modified in that the second section is initially formed with a constant thickness profile (for example in the crotch 92 ) and then selectively etched to produce a variable thickness profile. Alternatively, this modification step can be omitted in that the second section is formed in this way (e.g. with 3D printing; in step 92 ) that the second section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface of the second section. In another embodiment, the second section can have a flat top surface so that no molding of the second section is required.

Im Schritt 94 wird der erste Abschnitt des Substrats so ausgebildet, dass der erste Abschnitt auf die erste Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt wird.In step 94 For example, the first portion of the substrate is formed such that the first portion is attached to the first surface of the second portion.

In einem optionalen Schritt 95 kann der erste Abschnitt so modifiziert werden, dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt modifiziert werden, indem zunächst der erste Abschnitt mit einem konstanten Dickenprofil ausgebildet wird (z.B. im Schritt 94) und dann der erste Abschnitt selektiv geätzt (oder anderweitig modifiziert) wird, um ein variables Dickenprofil zu erzeugen (z.B. durch Ausbilden dünnerer Abschnitte an ausgewählten Punkten).In an optional step 95 For example, the first section can be modified so that the first section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. For example, the first section can be modified by first forming the first section with a constant thickness profile (for example in the step 94 ) and then selectively etching (or otherwise modifying) the first section to create a variable thickness profile (e.g., by forming thinner sections at selected points).

Alternativ kann der erste Abschnitt im Schritt 94 z.B. durch 3D-Drucken ausgebildet werden, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. In diesem Fall kann die Modifikation im Schritt 95 weggelassen werden.Alternatively, the first section in step 94 be formed, for example, by 3D printing, so that the first section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. In this case, the modification can be made in step 95 can be omitted.

Alternativ kann der erste Abschnitt im Schritt 94 ausgebildet werden, z.B. durch Kaltgasspritzen, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zur ersten Oberfläche variiert. Das Kaltgasspritzen kann z.B. iterativ umgeformt werden, so dass ein oder mehrere Teilabschnitte des ersten Abschnitts abgedeckt werden können, wenn die Teilabschnitte die gewünschte Dicke erreicht haben. In diesem Fall kann die Modifikation im Schritt 95 weggelassen werden.Alternatively, the first section in step 94 be formed, for example by cold gas spraying, so that the first section has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. The cold gas spraying can be iteratively reshaped, for example, so that one or more subsections of the first section can be covered when the subsections have reached the desired thickness. In this case, the modification can be made in step 95 can be omitted.

10 bis 15 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Halbleiter-Leistungsmodulen 100, 110, 120, 130, 140 und 150, die eine Metallisierung der Oberseite mit variablen Dicken gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigen. In jedem der Leistungsmodule 100, 110, 120, 130, 140 und 150 sind Kühlkanäle in die Isolationsschicht des Substrats integriert. Die Kühlkanäle (wie z.B. der in 10 angegebene Kühlkanal 106) können den Durchgang eines Kühlmittels, wie z.B. einer Kühlflüssigkeit, ermöglichen. 10 until 15th show various embodiments of semiconductor power modules 100 , 110 , 120 , 130 , 140 and 150 10, showing top surface metallization with variable thicknesses in accordance with exemplary embodiments. In each of the power modules 100 , 110 , 120 , 130 , 140 and 150 cooling channels are integrated into the insulation layer of the substrate. The cooling channels (such as the in 10 specified cooling channel 106 ) can allow a coolant, such as a coolant, to pass through.

Die Leistungsmodule 100, 110, 120, 130 und 140 ähneln den oben beschriebenen Leistungsmodulen 30, 50, 60, 70 bzw. 80 und werden im Folgenden nicht weiter erörtert.The power modules 100 , 110 , 120 , 130 and 140 are similar to the power modules described above 30th , 50 , 60 , 70 respectively. 80 and are not discussed further below.

Beim Leistungsmodul 150 umfasst ein erster Abschnitt 153 des Substrats Erweiterungen in den zweiten Abschnitt 154, die in unmittelbarer Nähe mit mindestens einigen einer Vielzahl von Kühlkanälen 156 innerhalb des zweiten Abschnitts enden. Das Leistungsmodul 150 kann daher eine effizientere Wärmeübertragung von den Komponenten des Leistungsmoduls an das Kühlmittel durch die Kühlkanäle ermöglichen.With the power module 150 includes a first section 153 the substrate's extensions in the second section 154 that are in close proximity with at least some of a variety of cooling ducts 156 end within the second section. The power module 150 can therefore enable more efficient heat transfer from the components of the power module to the coolant through the cooling channels.

16 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein durch das Bezugszeichen 160 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet wird. 16 Figure 13 is a flow chart showing an algorithm indicated generally by the reference numeral 160 is designated according to an exemplary embodiment.

Der Algorithmus 160 beginnt mit dem Schritt 162, bei der die thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls bei einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts modelliert werden. Die Modellierung kann zum Beispiel mit Hilfe von 3D-Simulationen durchgeführt werden, um das optimale Dickenprofil über den ersten Abschnitt zu bestimmen. Die Simulation kann verschiedene Dickenprofile anwenden, um ein Dickenprofil zu bestimmen, das optimale thermische und/oder elektrische Eigenschaften bietet (z.B. elektrische Wärmeerzeugung, Wärmefluss usw.).The algorithm 160 starts with the step 162 , in which the thermal and / or electrical properties of the semiconductor power module are modeled with a plurality of thickness profiles of the first section. The modeling can be carried out, for example, with the aid of 3D simulations in order to determine the optimal thickness profile over the first section. The simulation can apply different thickness profiles to determine a thickness profile that offers optimal thermal and / or electrical properties (e.g. electrical heat generation, heat flow, etc.).

Als nächstes wird im Schritt 164 ein gewünschtes Dickenprofil für den ersten Abschnitt in Abhängigkeit von den Ergebnissen der genannten Modellierung ausgewählt. Zum Beispiel kann ein Dickenprofil, das optimale thermische und/oder elektrische Eigenschaften bietet, für den ersten Teil des Substrats gewählt werden. Der erste Abschnitt kann entsprechend dem gewählten Dickenprofil ausgebildet (z.B. im Schritt 94) und/oder modifiziert (z.B. im Schritt 95) werden.Next is in step 164 a desired thickness profile is selected for the first section depending on the results of the modeling mentioned. For example, a thickness profile that offers optimal thermal and / or electrical properties can be chosen for the first part of the substrate. The first section can be designed according to the selected thickness profile (for example in the step 94 ) and / or modified (e.g. in step 95 ) will.

In einer beispielhaften Ausführungsform können ähnliche Schritte wie die Schritte 162 und 164 durchgeführt werden, um ein Dickenprofil für den zweiten (verhältnismäßig isolierenden) Abschnitt des Substrats auszuwählen. Der zweite Abschnitt kann entsprechend dem gewählten Dickenprofil ausgebildet (z.B. im Schritt 92) und/oder modifiziert (z.B. im Schritt 93) werden.In an exemplary embodiment, steps similar to steps 162 and 164 can be performed to select a thickness profile for the second (relatively insulating) portion of the substrate. The second section can be designed in accordance with the selected thickness profile (for example in the crotch 92 ) and / or modified (e.g. in step 93 ) will.

17 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zeigt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 170 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bezeichnet ist. 17th Figure 13 is a flow chart showing an algorithm generally designated by the reference numeral 170 is designated according to an exemplary embodiment.

Der Algorithmus 170 beginnt mit dem Schritt 172, bei dem ein 3D-Drucker oder ein additiver Fertigungsapparat (z.B. durch Programmbefehle usw.) veranlasst wird, ein Halbleiter-Leistungsmodul (z.B. die oben beschriebenen Leistungsmodule) herzustellen. Beispielsweise kann ein computerlesbares Medium über computerausführbare Anweisungen verfügen, die so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker oder ein Gerät zur additiven Fertigung ein Halbleiter-Leistungsmodul herstellt.The algorithm 170 starts with the step 172 , in which a 3D printer or an additive manufacturing apparatus is caused (e.g. by program commands etc.) to produce a semiconductor power module (e.g. the power modules described above). For example, a computer-readable medium may have computer-executable instructions that are adapted for a 3D printer or additive manufacturing device to make a semiconductor power module.

Als nächstes wird im Schritt 174 das Halbleiter-Leistungsmodul unter Verwendung des 3D-Druckers oder des additiven Fertigungsgeräts hergestellt.Next is in step 174 the semiconductor power module is manufactured using the 3D printer or the additive manufacturing device.

In einem Beispiel kann bei der Herstellung des Halbleiter-Leistungsmoduls im Schritt 174 der zweite (verhältnismäßig isolierende) Abschnitt des Substrats unter Verwendung additiver Herstellungsverfahren (z.B. unter Verwendung einer additiven Herstellungsvorrichtung) ausgebildet werden. Der zweite Abschnitt kann Kühlkanäle enthalten (z.B. wie in 10 bis 15 dargestellt).In one example, in the manufacture of the semiconductor power module in step 174 the second (relatively insulating) portion of the substrate can be formed using additive manufacturing processes (eg, using an additive manufacturing device). The second section may contain cooling channels (e.g. as in 10 until 15th shown).

In einem Beispiel wird bei der Herstellung des Halbleiter-Leistungsmoduls im Schritt 174 eine isolierende Abdeckung für eine oder mehrere Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung additiver Herstellungsmethoden (z.B. unter Verwendung eines additiven Herstellungsapparats) ausgebildet.In one example, in the manufacture of the semiconductor power module in step 174 an insulating cover for one or more power module components is formed using additive manufacturing methods (eg, using additive manufacturing apparatus).

In einem Beispiel kann ein Verfahren zur Bildung eines Halbleiter-Leistungsmoduls die Bereitstellung eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen umfassen, die so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung das Halbleiter-Leistungsmodul herstellt. Das Halbleiter-Leistungsmodul kann durch additive Herstellung hergestellt werden, z.B. unter Verwendung des 3D-Druckers oder der additiven Herstellungsvorrichtung.In one example, a method of forming a semiconductor power module may include providing a computer readable medium with computer executable instructions that are adapted for a 3D printer or additive manufacturing device to manufacture the semiconductor power module. The semiconductor power module can be manufactured by additive manufacturing, for example, using the 3D printer or the additive manufacturing apparatus.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden nur als Beispiel angegeben. Dem Fachmann sind viele Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen bekannt, die vorgenommen werden könnten, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung zielen darauf ab, alle Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen zu nennen, die in die Kernidee und den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.The embodiments of the invention described above are given by way of example only. Many modifications, changes, and substitutions will be known to those skilled in the art that could be made without departing from the scope of the present invention. The claims of the present application aim to name all modifications, changes and substitutions that fall within the core idea and scope of the invention.

Claims (17)

Halbleiter-Leistungsmodul mit einer Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, aufweist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist und der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert.A semiconductor power module having a plurality of power module components mounted on a substrate, the substrate having a first, electrically relatively conductive portion on which the power module components are mounted, and a second, electrically relatively insulating portion on which the first portion is mounted , wherein the first portion of the substrate is attached to a first surface of the second portion and the first portion has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des ersten Abschnitts des Substrats aus den zweiten Abschnitt des Substrats hervorragt.Semiconductor power module according to Claim 1 wherein at least a portion of the first portion of the substrate protrudes from the second portion of the substrate. Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem eine freiliegende Oberfläche des ersten Abschnitts, auf der die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, bündig zu der ersten oder einer zweiten Oberfläche des zweiten Abschnitts des Substrats ist.Semiconductor power module according to Claim 1 wherein an exposed surface of the first portion on which the power module components are mounted is flush with the first or a second surface of the second portion of the substrate. Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Abschnitt des Substrats zumindest teilweise in den zweiten Abschnitt des Substrats eingebettet ist.Semiconductor power module according to one of the Claims 1 until 3 wherein the first portion of the substrate is at least partially embedded in the second portion of the substrate. Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dickenprofil des ersten Teils des Substrats so eingestellt ist, dass es einen oder mehrere der folgenden Anforderungen erfüllt: einer Anforderung an die elektrische Leitfähigkeit; einer Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit; und/oder eine Anforderung an die Zuverlässigkeit.Semiconductor power module according to one of the preceding claims, wherein the thickness profile of the first part of the substrate is set so that it meets one or more of the following requirements: an electrical conductivity requirement; a requirement for thermal conductivity; and or a requirement for reliability. Ein Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt des Substrats Kanäle für den Durchgang eines Kühlmittels aufweist.A semiconductor power module according to any preceding claim, wherein the second portion of the substrate has channels for a coolant to pass therethrough. Halbleiter-Leistungsmodul nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt des Substrats Erweiterungen in den zweiten Abschnitt aufweist, die in unmittelbarer Nähe zu mindestens einigen der Kanäle enden.Semiconductor power module according to Claim 6 wherein the first portion of the substrate has extensions into the second portion that terminate in close proximity to at least some of the channels. Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein direkt gebundenes Kupfersubstrat ist.A semiconductor power module according to any preceding claim, wherein the substrate is a directly bonded copper substrate. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul eine Vielzahl von Leistungsmodulkomponenten aufweist, die auf einem Substrat befestigt sind, wobei das Substrat einen ersten, elektrisch verhältnismäßig leitenden Abschnitt aufweist, auf dem die Leistungsmodulkomponenten befestigt sind, und einen zweiten, elektrisch verhältnismäßig isolierenden Abschnitt, auf dem der erste Abschnitt befestigt ist, wobei der erste Abschnitt des Substrats auf einer ersten Oberfläche des zweiten Abschnitts befestigt ist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats, so dass der erste Abschnitt ein Dickenprofil aufweist, das in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche variiert.A method of manufacturing a semiconductor power module, the semiconductor power module comprising a plurality of power module components mounted on a substrate, the substrate having a first, electrically relatively conductive portion on which the power module components are mounted, and a second, electrically A relatively insulating portion having the first portion mounted thereon, the first portion of the substrate being mounted on a first surface of the second portion, the method comprising: Forming the first portion of the substrate such that the first portion has a thickness profile that varies in a direction parallel to the first surface. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: Bilden des ersten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.Procedure according to Claim 9 , further comprising: forming the first portion of the substrate using additive manufacturing processes. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend das Modifizieren des ersten Abschnitts, um das Dickenprofil des ersten Abschnitts zu erzeugen.Procedure according to Claim 9 or 10 , further comprising modifying the first section to create the thickness profile of the first section. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiter umfassend das Ausbilden des ersten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von Kaltgasspritzen.Method according to one of the Claims 9 until 11 , further comprising forming the first portion of the substrate using cold gas spraying. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend das Ausbilden des zweiten Abschnitts des Substrats unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.Method according to one of the Claims 9 until 12th , further comprising forming the second portion of the substrate using additive manufacturing processes. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend die Herstellung einer isolierenden Abdeckung für die Leistungsmodulkomponenten unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren.Method according to one of the Claims 9 until 13th , further comprising manufacturing an insulating cover for the power module components using additive manufacturing processes. Verfahren zum Entwerfen eines Halbleiter-Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren umfasst: Modellierung der thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Halbleiter-Leistungsmoduls an jedem einer Vielzahl von Dickenprofilen des ersten Abschnitts des Substrats; und Auswahl eines gewünschten Dickenprofils für den ersten Abschnitt des Substrats in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Modellierung.Method for designing a semiconductor power module according to one of the Claims 1 until 8th the method comprising: modeling the thermal and / or electrical properties of the semiconductor power module on each of a plurality of thickness profiles of the first portion of the substrate; and selecting a desired thickness profile for the first portion of the substrate based on the results of the modeling. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul durch additive Herstellung hergestellt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines computerlesbaren Mediums mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zu veranlassen, das Halbleiter-Leistungsmodul herzustellen; und Herstellen des Halbleiter-Leistungsmoduls unter Verwendung des 3D-Druckers oder einer additiven Fertigungsvorrichtung.Method for producing a semiconductor power module according to one of the Claims 1 until 8th The semiconductor power module being manufactured by additive manufacturing, the method comprising the steps of: providing a computer-readable medium with computer-executable instructions suitable for causing a 3D printer or an additive manufacturing device to manufacture the semiconductor power module ; and manufacturing the semiconductor power module using the 3D printer or an additive manufacturing device. Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Befehlen, die geeignet sind, einen 3D-Drucker oder eine additive Herstellungsvorrichtung zu veranlassen, ein Halbleiter-Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 herzustellen oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 zu implementieren.Computer-readable medium containing computer-executable instructions suitable for causing a 3D printer or additive manufacturing device to produce a semiconductor power module according to any one of the Claims 1 until 8th produce or a process according to one of the Claims 9 until 16 to implement.
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