DE102022109792B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (10) umfassend:ein erstes Isolatorsubstrat (12),ein zweites Isolatorsubstrat (14), das parallel zu dem ersten Isolatorsubstrat (12) und beabstandet zu dem ersten Isolatorsubstrat (12) angeordnet ist,das erste Isolatorsubstrat (12) und das zweite Isolatorsubstrat (14) jeweils umfassendeine Isolatorschicht (121,141),eine innere Metallisierungsschicht (122,142), die auf einer dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12,14) zugewandten Innenseite der Isolatorschicht (121,141) angeordnet ist, undeine äußere Metallisierungsschicht (123,143), die auf einer von dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12,14) abgewandten Außenseite der Isolatorschicht (121,141) angeordnet ist,eine erste Kühlvorrichtung (18), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (123) des ersten Isolatorsubstrats (12 `) angeordnet ist,eine zweite Kühlvorrichtung (20), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (143) des zweiten Isolatorsubstrats (14) angeordnet ist, undein Leistungshalbleiterelement (22), dass zwischen dem ersten Isolatorsubstrat (12) und dem zweiten Isolatorsubstrat (14) angeordnet ist und mit der inneren Metallisierungsschicht (122) des ersten Isolatorsubstrats (12) sowie mit der inneren Metallisierungsschicht (142) des zweiten Isolatorsubstrats (14) elektrisch und thermisch verbunden ist,ein Anschlusselement (28) zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls (10),wobei mindestens eines der beiden Isolatorsubstrate (12) ein Durchkontaktierungselement (16) umfasst, das sich durch die Isolatorschicht (121) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) hindurch erstreckt und über welches die innere Metallisierungsschicht (122) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) mit der äußeren Metallisierungsschicht (123) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dassdas Anschlusselement (28) an der äußeren Metallisierungsschicht (123) desjenigen Isolatorsubstrats (12) angeordnet ist, das das Durchkontaktierungselement (16) umfasst, und elektrisch mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht (123) verbunden ist,das Anschlusselement (28) ein erstes Gleichspannungsanschlusselement ist, das ausgelegt ist, mit einem ersten Gleichspannungspotential einer Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und wobei ein zweites Gleichspannungsanschlusselement (30) vorhanden ist, das ausgelegt ist, mit einem zweiten Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und das an der inneren Metallisierungsschicht (122) desjenigen Isolatorsubstrats (12) angeordnet ist, an dem das erste Gleichspannungsanschlusselement (28) angeordnet ist, und elektrisch mit der entsprechenden inneren Metallisierungsschicht (122) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
  • Leistungshalbleitermodule sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2017 213 053 A1 , und werden beispielweise in Leistungswandlern, insbesondere in Wechselrichtern, sowie in Antriebselektroniken von Elektromotoren zur Schaltung einer relativ hohen elektrischen Leistung verwendet. Häufig weisen derartige Leistungshalbleitermodule mehrere Leistungshalbleiterelemente auf, die in einer sogenannten (Halb-)Brückenschaltung verschaltet sind. Die spezielle Verschaltung der einzelnen Leistungshalbleiterelemente sowie typischerweise vorhandener weiterer Komponenten des Leistungshalbleitermoduls wird hierbei im Allgemeinen über eine entsprechende Strukturierung der inneren Metallisierungsschicht des ersten Isolatorsubstrats sowie der inneren Metallisierungsschicht des zweiten Isolatorsubstrats erzielt, wobei in den grundsätzlich elektrisch leitenden Metallisierungsschichten durch eine entsprechende Prozessierung, typischerweise durch ein lokales abtragen der Metallisierungsschicht, gezielt elektrisch nichtleitende Bereiche erzeugt werden.
  • US 2013 / 0 328 200 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
  • Aus US 2017 / 0 162 481 A1 , US 2017 / 0 287 875 A1 , US 2009 / 0 116 197 A1 und DE 10 2011 083 223 A1 ist weiterer Stand der Technik bekannt.
  • Die Leistungshalbleiterelemente des Leistungshalbleitermoduls erwärmen sich im Betrieb typischerweise relativ stark, weshalb eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterelemente entscheidend ist, um einerseits einen effizienten Betrieb des Leistungshalbleitermoduls sicherzustellen und andererseits eine Beschädigung des Leistungshalbleitermoduls zu verhindern. Vor diesem Hintergrund umfasst das gattungsgemäße Leistungshalbleitermodul zwei Kühlvorrichtungen, über die das Leistungshalbleitermodul von zwei Seiten gekühlt wird.
  • Im Allgemeinen sind die durch die Strukturierung der Metallisierungsschichten erzeugten elektrisch nichtleitenden Bereiche auch thermisch nichtleitend, wodurch die Gestaltungsfreiheiten bei der Strukturierung der Metallisierungsschichten eingeschränkt werden. Insbesondere muss die Strukturierung derart gestaltet sein, dass ausreichend große elektrisch leitende und somit auch thermisch leitende Bereiche vorhanden sind, um eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterelemente sicherzustellen.
  • Zur Ermöglichung der speziellen Verschaltung der Leistungshalbleiterelemente einerseits und zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Leistungshalbleiterelemente andererseits sind daher typischerweise relativ große Isolatorsubstrate mit entsprechend großflächigen Metallisierungsschichten erforderlich.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein relativ kompaktes, effizientes und zuverlässiges Leistungshalbleitermodul zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
  • Das Leistungshalbleitermodul umfasst ein erstes Isolatorsubstrat und ein zweites Isolatorsubstrat, das parallel zu dem ersten Isolatorsubstrat und beabstandet zu dem ersten Isolatorsubstrat angeordnet ist. Die beiden Isolatorsubstrate umfassen jeweils zumindest eine Isolatorschicht, eine innere Metallisierungsschicht, die auf einer dem jeweils anderen Isolatorsubstrat zugewandten Innenseite der Isolatorschicht angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht, die auf einer von dem jeweils anderen Isolatorsubstrat abgewandten Außenseite der Isolatorschicht angeordnet ist. Die beiden Metallisierungsschichten der Isolatorsubstrate bestehen hierbei aus einem Material mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit, typischerweise aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die Isolatorschicht besteht hingegen aus einem Material mit einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit jedoch einer relativ guten thermischen Leitfähigkeit, typischerweise aus einer Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Aluminiumnitrid oder Saphir, oder aus einem mit Keramikpulver gefülltem Polymer. Derartige Isolatorsubstrate können beispielsweise sogenannte „Direct-Bonded-Copper“-Substrate (DBC-Substrate), „Active-Metal-Bonding“-Substrate (AMB-Substrate) oder „Insulated-Metal“-Substrate (IMS) sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul umfasst ferner zwei Kühlvorrichtungen, wobei eine erste Kühlvorrichtung wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht des ersten Isolatorsubstrats angeordnet ist und eine zweite Kühlvorrichtung wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht des zweiten Isolatorsubstrats angeordnet ist. Die Kühlvorrichtungen sind typischerweise als massiver Kühlkörper ausgebildet, der in direktem flächigem Kontakt mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht angeordnet ist. Typischerweise bestehen die Kühlvorrichtungen aus einem Metall und weisen auf ihrer von dem Isolatorsubstrat abgewandten Seite eine Vielzahl von Kühlrippen oder vergleichbare Kühlstrukturen auf.
  • Das Leistungshalbleitermodul umfasst ferner mindestens ein Leistungshalbleiterelement, dass zwischen dem ersten Isolatorsubstrat und dem zweiten Isolatorsubstrat angeordnet ist und mit der inneren Metallisierungsschicht des ersten Isolatorsubstrats sowie mit der inneren Metallisierungsschicht des zweiten Isolatorsubstrats elektrisch und thermisch verbunden ist. Das Leistungshalbleiterelement umfasst im Allgemeinen mindestens einen Halbleiterschalter wie beispielsweise einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (engl.: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET), einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulatedgate-bipolar-transistor, IGBT) oder einen sogenannten high-electron-mobilitytransistor (HEMT). Typischerweise umfasst das Leistungshalbleiterelement eine Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Halbleiterschaltern.
  • Mindestens eines der beiden Isolatorsubstrate umfasst ein Durchkontaktierungselement, das sich durch die Isolatorschicht des entsprechenden Isolatorsubstrats hindurch erstreckt und über welches die innere Metallisierungsschicht des entsprechenden Isolatorsubstrats mit der äußeren Metallisierungsschicht des entsprechenden Isolatorsubstrats elektrisch verbunden ist. Das Durchkontaktierungselement kann beispielsweise aus einer Silberpaste oder einer Kupferpaste bestehen, die in ein in dem Isolatorsubstrat ausgebildetes Durchgangsloch eingebracht und anschließend gesintert wurde. Grundsätzlich kann das Durchkontaktierungselement jedoch aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material bestehen und auf jede beliebige Art und Weise hergestellt sein.
  • Über das Durchkontaktierungselement ist eine elektrische Verbindung zwischen der inneren Metallisierungsschicht des Isolatorsubstrats und der äußeren Metallisierungsschicht des Isolatorsubstrats geschaffen, sodass beide Metallisierungsschichten dieses Isolatorsubstrats zur Ausbildung der Verschaltung der einzelnen Komponenten des Leistungshalbleitermoduls zur Verfügung stehen. Dies bedeutet, dass - im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitermodul - auf dem Isolatorsubstrat mit dem Durchkontaktierungselement bei gleicher Isolatorsubstratgröße näherungsweise eine doppelt so große Gesamtmetallisierungsfläche zur Ausbildung der Verschaltung verfügbar ist. Hierdurch können auf einem relativ kleinen Isolatorsubstrat relativ komplexe Verschaltungen realisiert werden, wobei gleichzeitig über die Kühlvorrichtungen eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterelemente, im Speziellen mittels eines die Kühlvorrichtungen umströmenden dielektrischen Kühlmittels, sichergestellt werden kann. Ferner kann durch die Verwendung der beiden parallelen Metallisierungsschichten des Isolatorsubstrats ein besonders niederinduktiver Schaltungsaufbau erzielt werden. Dies ermöglich die Realisierung eines relativ kompakten, effizienten und zuverlässigen Leistungshalbleitermoduls.
  • Nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das Leistungshalbleitermodul mindestens ein Anschlusselement zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls aufweist. Das Anschlusselement ist an der äußeren Metallisierungsschicht desjenigen Isolatorsubstrats angeordnet, das das Durchkontaktierungselement umfasst, und elektrisch mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht verbunden ist. Dadurch, dass das Anschlusselement an der äußeren Metallisierungsschicht des Isolatorsubstrats angeordnet ist, kann das Anschlusselement relativ frei gestaltet und angeordnet werden. Dies ermöglicht die Realisierung eines besonders kompakten Leistungshalbleitermoduls mit einem besonders niederinduktiven Schaltungsaufbau.
  • Nach Anspruch 1 ist ferner vorgesehen, dass das Anschlusselement ein erstes Gleichspannungsanschlusselement ist, das ausgelegt ist, mit einem ersten Gleichspannungspotential einer Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, wobei ein zweites Gleichspannungsanschlusselement vorhanden ist, das ausgelegt ist, mit einem zweiten Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und wobei an der inneren Metallisierungsschicht desjenigen Isolatorsubstrats angeordnet ist, an dem das erste Gleichspannungsanschlusselement angeordnet ist, und elektrisch mit der entsprechenden inneren Metallisierungsschicht verbunden ist. Die beiden Gleichspannungsanschlusselemente werden auch als DC+ und DC-Anschlüsse des Leistungshalbleitermoduls bezeichnet. Es ist ermöglicht, die beiden Gleichspannungsanschlusselemente übereinanderliegend anzuordnen, wodurch ein besonders kompaktes Leistungshalbleitermodul mit einer besonders niederinduktiven Gleichspannungsanbindung realisiert werden kann.
  • Nach Anspruch 2 ist vorgesehen, dass das Leistungshalbleitermodul ein drittes Isolatorsubstrat sowie ein weiteres Leistungshalbleiterelement aufweist. Das dritte Isolatorsubstrat ist hierbei in einer Ebene mit dem ersten Isolatorsubstrat, also „neben“ dem ersten Isolatorsubstrat und folglich parallel sowie beabstandet zu dem zweiten Isolatorsubstrat angeordnet. Das dritte Isolatorsubstrat ist im Wesentlichen analog zu dem ersten Isolatorsubstrat sowie zu dem zweiten Isolatorsubstrat aufgebaut, umfasst also ebenfalls eine Isolatorschicht, eine innere Metallisierungsschicht und eine äußere Metallisierungsschicht. Die innere Metallisierungsschicht ist hierbei auf einer dem zweiten Isolatorsubstrat zugewandten Innenseite der Isolatorschicht angeordnet, und die äußere Metallisierungsschicht ist auf einer von dem zweiten Isolatorsubstrat abgewandten Außenseite der Isolatorschicht angeordnet und liegt wärmeleitend an der ersten Kühlvorrichtung an. Das weitere Leistungshalbleiterelement ist zwischen dem dritten Isolatorsubstrat und dem zweiten Isolatorsubstrat angeordnet und ist mit der inneren Metallisierungsschicht des dritten Isolatorsubstrats sowie mit der inneren Metallisierungsschicht des zweiten Isolatorsubstrats elektrisch und thermisch verbunden. Die beiden Leistungshalbleiterelemente des Leistungshalbleitermoduls werden also auf einer ersten Seite beide durch das gleiche Isolatorsubstrat kontaktiert, auf der gegenüberliegenden zweiten Seite jedoch jeweils durch ein separates Isolatorsubstrat kontaktiert. Dies ermöglicht eine relativ einfache Herstellung des Leistungshalbleitermoduls.
  • Vorzugsweise ist ein zwischen dem ersten Isolatorsubstrat und dem zweiten Isolatorsubstrat ausgebildeter Zwischenraum vorzugsweise vollständig mit einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise einer dielektrischen Vergussmasse, verfüllt, um die beiden Isolatorsubstrate zuverlässig elektrisch voneinander zu isolieren. Dies schafft ein besonders zuverlässiges Leistungshalbleitermodul.
  • Das zweite Gleichspannungsanschlusselement kann sich auch im Wesentlichen parallel zu dem ersten Gleichspannungsanschlusselement erstrecken. Vorteilhafterweise sind die Gleichspannungsanschlusselemente hierbei als flächige Elemente ausgebildet und derart übereinanderliegend angeordnet, dass sich die Gleichspannungsanschlusselemente in einem großflächigen Bereich in relativ geringem Abstand gegenüberstehen. Dies erzeugt eine relativ starke induktive Kopplung zwischen den beiden Gleichspannungsanschlusselementen, wodurch ein besonders niederinduktiver Gleichspannungsanschluss realisiert werden kann. Dies ermöglicht die Realisierung eines besonders effizienten Leistungshalbleitermoduls mit einer relativ hohen Schaltgeschwindigkeit.
  • Vorzugsweise umfasst das Leistungshalbleitermodul ein Kontaktierungselement, das die innere Metallisierungsschicht des dritten Isolatorsubstrats mit der inneren Metallisierungsschicht des zweiten Isolatorsubstrats elektrisch verbindet. Dies ermöglicht es, die beiden Leistungshalbleiterelemente auf einfache Weise in einer sogenannten Halbbrückenschaltung miteinander zu verschalten.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
    • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls zeigt, und
    • 2 eine schematische Darstellung eines alternativen zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls zeigt.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 10 mit einem ersten Isolatorsubstrat 12 und einem zweiten Isolatorsubstrat 14, das parallel und beabstandet zu dem ersten Isolatorsubstrat 12 angeordnet ist.
  • Das erste Isolatorsubstrat 12 umfasst eine Isolatorschicht 121, eine innere Metallisierungsschicht 122, die auf einer dem zweiten Isolatorsubstrat 14 zugewandten Innenseite der Isolatorschicht 121 angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht 123, die auf einer von dem zweiten Isolatorsubstrat 14 abgewandten Außenseite der Isolatorschicht 121 angeordnet ist. Die innere Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 umfasst einen ersten Metallisierungsbereich 1221 und einen zweiten Metallisierungsbereich 1222, der elektrisch von dem ersten Metallisierungsbereich 1221 isoliert ist.
  • Das erste Isolatorsubstrat 12 umfasst ein Durchkontaktierungselement 16, das sich durch die Isolatorschicht 121 des ersten Isolatorsubstrat 12 hindurch erstreckt und eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Metallisierungsbereich 1222 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 und der äußeren Metallisierungsschicht 123 des ersten Isolatorsubstrats 12 schafft.
  • Das zweite Isolatorsubstrat 14 umfasst eine Isolatorschicht 141, eine innere Metallisierungsschicht 142, die auf einer dem ersten Isolatorsubstrat 12 zugewandten Innenseite der Isolatorschicht 141 angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht 143, die auf einer von dem ersten Isolatorsubstrat 12 abgewandten Außenseite der Isolatorschicht 141 angeordnet ist.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst eine erste Kühlvorrichtung 18, die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht 123 des ersten Isolatorsubstrats 12 angeordnet ist, und eine zweite Kühlvorrichtung 20, die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht 143 des zweiten Isolatorsubstrats 14 angeordnet ist. Die beiden Kühlvorrichtungen 18,20 sind mit ihrer Innenseite jeweils in direktem großflächigem Kontakt mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht 123,143, um eine effiziente Wärmeübertragung von der äußeren Metallisierungsschicht 123,143 in die Kühlvorrichtung 18,20 zu ermöglichen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst ein erstes Leistungshalbleiterelement 22 und ein zweites Leistungshalbleiterelement 24, die in einem zwischen den beiden Isolatorsubstraten 12,14 ausgebildeten Zwischenraum 26 angeordnet sind. Das erste Leistungshalbleiterelement 22 ist eingangsseitig mit der inneren Metallisierungsschicht 142 des zweiten Isolatorsubstrats 14 elektrisch und thermisch verbunden, und ist ausgangsseitig mit dem ersten Metallisierungsbereich 1221 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 elektrisch und thermisch verbunden. Das zweite Leistungshalbleiterelement 24 ist eingangsseitig mit dem zweiten Metallisierungsbereich 1222 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 elektrisch und thermisch verbunden, und ist ausgangsseitig mit der inneren Metallisierungsschicht 142 des zweiten Isolatorsubstrats 14 elektrisch und thermisch verbunden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst drei Anschlusselemente 28,30,32 zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls 10. Das erste Anschlusselement 28 ist ein erstes Gleichspannungsanschlusselement, das ausgelegt ist, mit einem ersten Gleichspannungspotential einer Gleichspannungsquelle verbunden zu sein. Das erste Anschlusselement 28 ist an der äußeren Metallisierungsschicht 123 des ersten Isolatorsubstrats 12 angeordnet und mit der äußeren Metallisierungsschicht 123 des ersten Isolatorsubstrats 12 elektrisch verbunden. Das erste Anschlusselement 28 ist also über die äußere Metallisierungsschicht 123 des ersten Isolatorsubstrats 12, das Durchkontaktierungselement 16 und den zweiten Metallisierungsbereich 1222 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 mit dem Eingang des zweiten Leistungshalbleiterelements 24 elektrisch verbunden.
  • Das zweite Anschlusselement 30 ist ein zweites Gleichspannungsanschlusselement, das ausgelegt ist, mit einem zweiten Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle verbunden zu sein. Das zweite Anschlusselement 30 ist an dem ersten Metallisierungsbereich 1221 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 angeordnet und mit dem ersten Metallisierungsbereich 1221 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 elektrisch verbunden. Das zweite Anschlusselement 30 ist also über den ersten Metallisierungsbereich 1221 der inneren Metallisierungsschicht 122 des ersten Isolatorsubstrats 12 mit dem Ausgang des ersten Leistungshalbleiterelements 22 elektrisch verbunden. Das zweite Anschlusselement 30 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu dem ersten Anschlusselement 28.
  • Das dritte Anschlusselement 32 ist an der inneren Metallisierungsschicht 142 des zweiten Isolatorsubstrats 14 angeordnet und mit der inneren Metallisierungsschicht 142 des zweiten Isolatorsubstrats 14 elektrisch verbunden. Das dritte Anschlusselement 32 ist also über die innere Metallisierungsschicht 142 des zweiten Isolatorsubstrats 14 sowohl mit dem Ausgang des zweiten Leistungshalbleiterelements 24 als auch mit dem Eingang des ersten Leistungshalbleiterelements 22 elektrisch verbunden.
  • Der Zwischenraum 26 des Leistungshalbleitermodul 10 ist mit einer Vergussmasse 34 verfüllt, die aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht.
  • 2 zeigt ein alternatives erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 10', wobei zur Bezeichnung von bereits von dem Leistungshalbleitermodul 10 bekannten Merkmalen das entsprechende Bezugszeichen aus 1 mit einem angehängten Apostroph verwendet wird.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10' umfasst ein drittes Isolatorsubstrat 13, das neben dem ersten Isolatorsubstrat 12' und in einer Ebene mit dem ersten Isolatorsubstrat 12` angeordnet ist. Das dritte Isolatorsubstrat 13 ist also parallel und beabstandet zu dem zweiten Isolatorsubstrat 14' angeordnet. Das dritte Isolatorsubstrat 13 umfasst eine Isolatorschicht 131, eine innere Metallisierungsschicht 132, die auf einer dem zweiten Isolatorsubstrat 14' zugewandten Innenseite der Isolatorschicht 131 angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht 133, die auf einer von dem zweiten Isolatorsubstrat 14' abgewandten Außenseite der Isolatorschicht 131 angeordnet ist und wärmeleitend an der ersten Kühlvorrichtung 18' anliegt.
  • Die innere Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' umfasst einen ersten Metallisierungsbereich 1421 und einen zweiten Metallisierungsbereich 1422, der elektrisch von dem ersten Metallisierungsbereich 1421 isoliert ist.
  • Das Durchkontaktierungselement 16' erstreckt sich durch die Isolatorschicht 141' des zweiten Isolatorsubstrats 14' hindurch und schafft eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Metallisierungsbereich 1422 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' und der äußeren Metallisierungsschicht 143` des zweiten Isolatorsubstrats 14'.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10' umfasst ein Kontaktierungselement 36, das zwischen der inneren Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 und dem ersten Metallisierungsbereich 1421 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' angeordnet ist und die innere Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 mit dem ersten Metallisierungsbereich 1421 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' elektrisch verbindet.
  • Das erste Leistungshalbleiterelement 22' ist eingangsseitig mit dem ersten Metallisierungsbereich 1421 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' elektrisch und thermisch verbunden, und ist ausgangsseitig mit der inneren Metallisierungsschicht 122` des ersten Isolatorsubstrats 12' elektrisch und thermisch verbunden. Das zweite Leistungshalbleiterelement 24' ist eingangsseitig mit dem zweiten Metallisierungsbereich 1422 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' elektrisch und thermisch verbunden, und ist ausgangsseitig mit der inneren Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 elektrisch und thermisch verbunden.
  • Das erste Anschlusselement 28' ist an der äußeren Metallisierungsschicht 143` des zweiten Isolatorsubstrats 14' angeordnet und mit der äußeren Metallisierungsschicht 143` des zweiten Isolatorsubstrats 14' elektrisch verbunden. Das erste Anschlusselement 28` ist also über die äußere Metallisierungsschicht 143` des zweiten Isolatorsubstrats 14`, das Durchkontaktierungselement 16' und den zweiten Metallisierungsbereich 1422 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' mit dem Eingang des zweiten Leistungshalbleiterelements 24' elektrisch verbunden.
  • Das zweite Anschlusselement 30' ist an der inneren Metallisierungsschicht 122` des ersten Isolatorsubstrats 12' angeordnet und mit inneren Metallisierungsschicht 122` des ersten Isolatorsubstrats 12' elektrisch verbunden. Das zweite Anschlusselement 30' ist also über die innere Metallisierungsschicht 122` des ersten Isolatorsubstrats 12' mit dem Ausgang des ersten Leistungshalbleiterelements 22' elektrisch verbunden. Das zweite Anschlusselement 30' erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu dem ersten Anschlusselement 28'.
  • Das dritte Anschlusselement 32` ist an der inneren Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 angeordnet und mit der inneren Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 elektrisch verbunden. Das dritte Anschlusselement 32` ist also über die innere Metallisierungsschicht 132 des dritten Isolatorsubstrats 13 mit dem Ausgang des zweiten Leistungshalbleiterelements 24' elektrisch verbunden, und ist über das Kontaktierungselement 36 sowie den ersten Metallisierungsbereich 1421 der inneren Metallisierungsschicht 142` des zweiten Isolatorsubstrats 14' ferner mit dem Eingang des ersten Leistungshalbleiterelements 22' elektrisch verbunden.

Claims (6)

  1. Leistungshalbleitermodul (10) umfassend: ein erstes Isolatorsubstrat (12), ein zweites Isolatorsubstrat (14), das parallel zu dem ersten Isolatorsubstrat (12) und beabstandet zu dem ersten Isolatorsubstrat (12) angeordnet ist, das erste Isolatorsubstrat (12) und das zweite Isolatorsubstrat (14) jeweils umfassend eine Isolatorschicht (121,141), eine innere Metallisierungsschicht (122,142), die auf einer dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12,14) zugewandten Innenseite der Isolatorschicht (121,141) angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht (123,143), die auf einer von dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12,14) abgewandten Außenseite der Isolatorschicht (121,141) angeordnet ist, eine erste Kühlvorrichtung (18), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (123) des ersten Isolatorsubstrats (12 `) angeordnet ist, eine zweite Kühlvorrichtung (20), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (143) des zweiten Isolatorsubstrats (14) angeordnet ist, und ein Leistungshalbleiterelement (22), dass zwischen dem ersten Isolatorsubstrat (12) und dem zweiten Isolatorsubstrat (14) angeordnet ist und mit der inneren Metallisierungsschicht (122) des ersten Isolatorsubstrats (12) sowie mit der inneren Metallisierungsschicht (142) des zweiten Isolatorsubstrats (14) elektrisch und thermisch verbunden ist, ein Anschlusselement (28) zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls (10), wobei mindestens eines der beiden Isolatorsubstrate (12) ein Durchkontaktierungselement (16) umfasst, das sich durch die Isolatorschicht (121) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) hindurch erstreckt und über welches die innere Metallisierungsschicht (122) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) mit der äußeren Metallisierungsschicht (123) des entsprechenden Isolatorsubstrats (12) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (28) an der äußeren Metallisierungsschicht (123) desjenigen Isolatorsubstrats (12) angeordnet ist, das das Durchkontaktierungselement (16) umfasst, und elektrisch mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht (123) verbunden ist, das Anschlusselement (28) ein erstes Gleichspannungsanschlusselement ist, das ausgelegt ist, mit einem ersten Gleichspannungspotential einer Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und wobei ein zweites Gleichspannungsanschlusselement (30) vorhanden ist, das ausgelegt ist, mit einem zweiten Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und das an der inneren Metallisierungsschicht (122) desjenigen Isolatorsubstrats (12) angeordnet ist, an dem das erste Gleichspannungsanschlusselement (28) angeordnet ist, und elektrisch mit der entsprechenden inneren Metallisierungsschicht (122) verbunden ist.
  2. Leistungshalbleitermodul (10') umfassend: ein erstes Isolatorsubstrat (12'), ein zweites Isolatorsubstrat (14`), das parallel zu dem ersten Isolatorsubstrat (12') und beabstandet zu dem ersten Isolatorsubstrat (12') angeordnet ist, das erste Isolatorsubstrat (12') und das zweite Isolatorsubstrat (14') jeweils umfassend eine Isolatorschicht (121',141 `), eine innere Metallisierungsschicht (122', 142'), die auf einer dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12'14') zugewandten Innenseite der Isolatorschicht (121',141 `) angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht (123', 143'), die auf einer von dem jeweils anderen Isolatorsubstrat (12'14') abgewandten Außenseite der Isolatorschicht (121',141`) angeordnet ist, eine erste Kühlvorrichtung (18`), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (123') des ersten Isolatorsubstrats (12') angeordnet ist, eine zweite Kühlvorrichtung (20`), die wärmeleitend an der äußeren Metallisierungsschicht (143') des zweiten Isolatorsubstrats (14') angeordnet ist, und ein Leistungshalbleiterelement (22`), dass zwischen dem ersten Isolatorsubstrat (12') und dem zweiten Isolatorsubstrat (14') angeordnet ist und mit der inneren Metallisierungsschicht (122') des ersten Isolatorsubstrats (12') sowie mit der inneren Metallisierungsschicht (142') des zweiten Isolatorsubstrats (14') elektrisch und thermisch verbunden ist, wobei mindestens eines der beiden Isolatorsubstrate (14') ein Durchkontaktierungselement (16') umfasst, das sich durch die Isolatorschicht (141') des entsprechenden Isolatorsubstrats (14') hindurch erstreckt und über welches die innere Metallisierungsschicht (142') des entsprechenden Isolatorsubstrats (14') mit der äußeren Metallisierungsschicht (143') des entsprechenden Isolatorsubstrats (14') elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Isolatorsubstrat (13) vorgesehen ist, das in einer Ebene mit dem ersten Isolatorsubstrat (12') angeordnet ist, das dritte Isolatorsubstrat (13) umfassend eine Isolatorschicht (131), eine innere Metallisierungsschicht (132), die auf einer dem zweiten Isolatorsubstrat (14') zugewandten Innenseite der Isolatorschicht (131) angeordnet ist, und eine äußere Metallisierungsschicht (133), die auf einer von dem zweiten Isolatorsubstrat (14') abgewandten Außenseite der Isolatorschicht (131) angeordnet ist und wärmeleitend an der ersten Kühlvorrichtung (18') anliegt, ein weiteres Leistungshalbleiterelement (24'), das zwischen dem dritten Isolatorsubstrat (13) und dem zweiten Isolatorsubstrat (14') angeordnet ist und mit der inneren Metallisierungsschicht (132) des dritten Isolatorsubstrats (13) sowie mit der inneren Metallisierungsschicht (142') des zweiten Isolatorsubstrats (14') elektrisch und thermisch verbunden ist.
  3. Leistungshalbleitermodul (10;10') nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zwischen dem ersten Isolatorsubstrat (12; 12') und dem zweiten Isolatorsubstrat (14; 14') ausgebildeter Zwischenraum (26;26') mit einem elektrisch nichtleitenden Material (34; 34') verfüllt ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (10`) nach Anspruch 2, umfassend ein Anschlusselement (28') zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls (10'), wobei das Anschlusselement (28`) an der äußeren Metallisierungsschicht (143') desjenigen Isolatorsubstrats (14') angeordnet ist, das das Durchkontaktierungselement (16') umfasst, und elektrisch mit der entsprechenden äußeren Metallisierungsschicht (143') verbunden ist.
  5. Leistungshalbleitermodul (10`) nach Anspruch 4, wobei das Anschlusselement (28') ein erstes Gleichspannungsanschlusselement ist, das ausgelegt ist, mit einem ersten Gleichspannungspotential einer Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und wobei ein zweites Gleichspannungsanschlusselement (30`) vorhanden ist, das ausgelegt ist, mit einem zweiten Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle verbunden zu sein, und das sich im Wesentlichen parallel zu dem ersten Gleichspannungsanschlusselement (28') erstreckt.
  6. Leistungshalbleitermodul (10`) nach Anspruch 2, 4 oder 5, umfassend ein Kontaktierungselement (36), das die innere Metallisierungsschicht (132) des dritten Isolatorsubstrats (13) mit der inneren Metallisierungsschicht (142') des zweiten Isolatorsubstrats (14') elektrisch verbindet.
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