DE102022205702A1 - POWER ELEMENT INTEGRATION MODULE - Google Patents

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DE102022205702A1 DE102022205702.3A DE102022205702A DE102022205702A1 DE 102022205702 A1 DE102022205702 A1 DE 102022205702A1 DE 102022205702 A DE102022205702 A DE 102022205702A DE 102022205702 A1 DE102022205702 A1 DE 102022205702A1
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Abstract

Eine Leistungselementintegrationsmodul wird offenbart. Das Modul umfasst ein Leistungselement mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf seiner oberen Oberfläche, eine Verdrahtungsschicht, umfassend eine erste Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, und eine zweite Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, wobei die erste Sektion keinen Kontakt mit der zweiten Sektion aufweist, und eine Schaltungsschicht, elektrisch mit der Verdrahtungsschicht verbunden, wobei die erste Sektion einen ersten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und einen ersten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der ersten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei die zweite Sektion einen zweiten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, und einen zweiten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der zweiten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht zwischen dem des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht liegtA power element integration module is disclosed. The module includes a power element having a first electrode and a second electrode on its upper surface, a wiring layer comprising a first section extending parallel to the upper surface and a second section extending parallel to the upper surface, wherein the first section has no contact with the second section, and a circuit layer electrically connected to the wiring layer, the first section including a first connection portion electrically connected to the first electrode and a first hollow portion configured to tolerate a Deformation of the first section during operation of the power element, the second section comprising a second connection portion electrically connected to the second electrode and a second hollow portion configured to tolerate deformation of the second section during operation of the power element, wherein the thermal expansion coefficient of the wiring layer is between that of the power element and that of the circuit layer

Description

ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul.The present disclosure relates to a power module.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Während Hybridfahrzeuge und reine Elektrofahrzeuge weiter leistungsfähigere und energieeffizientere Einrichtungen erfordern, werden Leistungselemente auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zunehmend populär. Leistungselemente auf Basis von SiC und GaN weisen um ein Vielfaches niedrigere Schaltverluste als vergleichbare IGBTs auf. Unter Bezugnahme auf 1 werden, wenn wir eine GaN-Einrichtung als ein Beispiel nehmen, GaN-Einrichtungen als Leistungselemente in einem Leistungselementintegrationsmodul eines Wechselrichters verwendet. Wie in 1 gezeigt, enthält ein GaN-Leistungselement 1 Gateelektroden 11, eine Sourceelektrode 12 und eine Drainelektrode 13, auf der gleichen Oberfläche des Leistungselements 1 angeordnet. Die Sourceelektrode 12 umfasst eine Primärsektion 121 und mehrere Zweigsektionen 122 senkrecht zu der Primärsektion 121. Die Drainelektrode 13 umfasst gleichermaßen eine Primärsektion 131 und mehrere Zweigsektionen 132. Die Zweigsektionen 122, 132 sind zueinander beabstandet. Diese interdigitierte Anordnung ist für eine Einrichtungsminiaturisierung günstig. Jedoch sind die physischen Größen zwischen den Elektroden sehr klein (kleiner als 100 µm, sogar noch kleiner als 50 µm bei der jüngst freigegebenen GaN-Einrichtung), was die mit einer Elektrodenverbindung assoziierte Schwierigkeit erhöht. Feine Verbindungen müssen umgesetzt werden, um zwischen diesen Elektroden einen Kurzschluss zu vermeiden.As hybrid and pure electric vehicles continue to require more powerful and energy efficient devices, silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) based power devices are becoming increasingly popular. Power elements based on SiC and GaN have switching losses that are many times lower than comparable IGBTs. With reference to 1 If we take a GaN device as an example, GaN devices are used as power elements in a power element integration module of an inverter. As in 1 shown, a GaN power element 1 includes gate electrodes 11, a source electrode 12 and a drain electrode 13, arranged on the same surface of the power element 1. The source electrode 12 includes a primary section 121 and a plurality of branch sections 122 perpendicular to the primary section 121. The drain electrode 13 likewise comprises a primary section 131 and a plurality of branch sections 132. The branch sections 122, 132 are spaced apart from one another. This interdigitated arrangement is favorable for device miniaturization. However, the physical sizes between the electrodes are very small (less than 100 µm, even smaller than 50 µm in the recently released GaN device), which increases the difficulty associated with electrode connection. Fine connections must be implemented to avoid a short circuit between these electrodes.

In einigen Leistungselementintegrationsmodulen sind die Sourceelektrode 12 und die Drainelektrode 13 mit Hilfe von Bonddrähten mit den Stromschienen elektrisch verbunden. Die Bonddrähte sind auf jeder Elektrode mit Hilfe eines Drahtbondprozesses gebildet, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungselement 1 und Stromschienen hergestellt wird. Die Länge der Bonddrähte variiert zwischen 1 cm und 3 cm, was eine nichtvernachlässigbare parasitäre Leistungsschleifeninduktanz verursacht. Eine große parasitäre Induktanz eignet sich wegen der Schaltgeschwindigkeit von GaN- oder SiC-Einrichtungen nicht für GaN- oder SiC-Einrichtungen (eine große parasitäre Induktanz wird Rauschen eine Spitzenspannung verursachen, weshalb GaN- oder SiC-Einrichtungen ihre höchste Leistung nicht erzielen können).In some power element integration modules, the source electrode 12 and the drain electrode 13 are electrically connected to the bus bars using bonding wires. The bonding wires are formed on each electrode using a wire bonding process, thereby establishing an electrical connection between the power element 1 and bus bars. The length of the bonding wires varies between 1 cm and 3 cm, which causes non-negligible parasitic power loop inductance. A large parasitic inductance is not suitable for GaN or SiC devices because of the switching speed of GaN or SiC devices (a large parasitic inductance will cause noise at a peak voltage, which is why GaN or SiC devices cannot achieve their highest performance).

Um eine hohe parasitäre Induktanz zu verhindern, besteht eine andere Lösung zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den GaN-Einrichtungen mit einer Leiterplatte, die die GaN-Einrichtungen ansteuert, darin, die GaN-Einrichtungen direkt über Lotmaterial auf die Leiterplatte zu löten. Die parasitäre Induktanz wird breit reduziert, während die mechanische Beanspruchung ein neues Problem wird. Aufgrund der Temperaturänderungen während des Betriebs der GaN-Einrichtungen wird durch die GaN-Einrichtungen eine große Menge an Wärme erzeugt und zu dem Lotmaterial übertragen. Das Lotmaterial bricht leicht, da eine Wärmeausdehnungskoeffizientendifferenz zwischen der GaN-Einrichtung und der Ansteuerschaltung (beispielsweise Cu) auf der Leiterplatte, was wiederum die GaN-Einrichtungen und die Leiterplatte aufgrund der offenen Schaltung beschädigt, verursacht durch gebrochenes Lotmaterial. Eine Alternative zum Löten ist das Sintern. Das Bonden über Sintern ist sicherer als über Löten. Im Vergleich zu Sintermaterial jedoch werden die GaN-Einrichtungen mit größerer Wahrscheinlichkeit durch die Beanspruchung beschädigt.To prevent high parasitic inductance, another solution to make the electrical connection between the GaN devices with a circuit board that drives the GaN devices is to solder the GaN devices directly to the circuit board via solder material. The parasitic inductance is broadly reduced while mechanical stress becomes a new problem. Due to the temperature changes during operation of the GaN devices, a large amount of heat is generated by the GaN devices and transferred to the solder material. The solder material breaks easily because of a thermal expansion coefficient difference between the GaN device and the driving circuit (e.g. Cu) on the circuit board, which in turn damages the GaN devices and the circuit board due to the open circuit caused by broken solder material. An alternative to soldering is sintering. Bonding via sintering is safer than via soldering. However, compared to sintered material, GaN devices are more likely to be damaged by stress.

KURZE DARSTELLUNGBRIEF PRESENTATION

Die vorliegende Offenbarung liefert einige Ausführungsformen eines Leistungselementintegrationsmoduls, das sowohl hinsichtlich elektrischer als auch thermischer Charakteristika ausgezeichnet ist, leicht hergestellt werden kann und mit dem aktuellen Herstellungsprozess kompatibel ist.The present disclosure provides some embodiments of a power element integration module that is excellent in both electrical and thermal characteristics, can be easily manufactured, and is compatible with current manufacturing processes.

Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Leistungselementintegrationsmodul bereitgestellt, das ein Leistungselement mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf seiner oberen Oberfläche umfasst. Das Leistungselementintegrationsmodul umfasst weiterhin: eine Verdrahtungsschicht, umfassend eine erste Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, und eine zweite Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, wobei die erste Sektion keinen Kontakt mit der zweiten Sektion aufweist, und eine Schaltungsschicht, elektrisch mit der Verdrahtungsschicht verbunden, wobei die erste Sektion einen ersten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und einen ersten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der ersten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei die zweite Sektion einen zweiten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, und einen zweiten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der zweiten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht entweder gleich dem der Schaltungsschicht ist oder zwischen dem des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht liegt. Die Schaltungsschicht ist mit Hilfe von Löten, Sintern oder einem anderen elektrischen Verbindungsverfahren des Standes der Technik elektrisch mit der Verdrahtungsschicht verbunden.According to one aspect of the disclosure, a power element integration module is provided that includes a power element having a first electrode and a second electrode on its upper surface. The power element integration module further includes: a wiring layer comprising a first section extending parallel to the top surface and a second section extending parallel to the top surface, the first section having no contact with the second section, and a Circuit layer electrically connected to the wiring layer, the first section comprising a first connection portion electrically connected to the first electrode and a first hollow portion configured to tolerate deformation of the first section during operation of the power element, the second Section includes a second connection portion electrically connected to the second electrode, and a second hollow portion configured to tolerate deformation of the second section during operation of the power element, wherein the coefficient of thermal expansion of the wiring layer is either equal to or between that of the circuit layer of the power element and that of the circuit layer. The circuit layer is made using soldering, sintering or other electrical connection dung method of the prior art electrically connected to the wiring layer.

Die Schaltungsschicht ist ein auf einer Ansteuerplatine vorgesehenes Metallmuster. Das Metallmuster wird durch Ätzen von Kupfer gebildet und stellt eine Ansteuerschaltung dar zum Ansteuern des Leistungselements.The circuit layer is a metal pattern provided on a drive board. The metal pattern is formed by etching copper and represents a driving circuit for driving the power element.

Die Verdrahtungsschicht mit einem geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten (zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht) liefert einen Wärmeübergang zwischen dem Leistungselement und der Schaltungsschicht, somit bricht das Lot weniger leicht während des Betriebs des Leistungselements. Außerdem ist die elektrische Verbindung zwischen der Schaltungsschicht und der Elektrode stabiler, da die Hohlabschnitte eine Verformung der Verdrahtungsschicht tolerieren, die durch während des Betriebs des Leistungselements erzeugte Wärme verursacht wird. Das Leistungselementintegrationsmodul wird dauerhafter, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, wo Schwingungen und Schocks unvermeidbar sind.The wiring layer with an appropriate thermal expansion coefficient (between a thermal expansion coefficient of the power element and that of the circuit layer) provides heat transfer between the power element and the circuit layer, thus the solder is less likely to break during operation of the power element. In addition, the electrical connection between the circuit layer and the electrode is more stable because the hollow portions tolerate deformation of the wiring layer caused by heat generated during operation of the power element. The power element integration module is becoming more durable, especially in the automotive industry where vibration and shock are unavoidable.

In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich mindestens ein Teil des ersten Verbindungsabschnitts über den Rand des Leistungselements hinaus, und mindestens ein Abschnitt des zweiten Verbindungsabschnitts erstreckt sich über den Rand des Leistungselements hinaus. Die Verbindungsabschnitte der Verdrahtungsschicht liefern mehr Kontaktflächen für eine elektrische Verbindung. Somit ist die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungselement und der Schaltungsschicht leichter, und dabei wird der negative Einfluss, der durch Beanspruchungsschwankung verursacht wird, verringert.In a preferred embodiment, at least a portion of the first connection portion extends beyond the edge of the power element, and at least a portion of the second connection portion extends beyond the edge of the power element. The connection sections of the wiring layer provide more contact areas for an electrical connection. Thus, the electrical connection between the power element and the circuit layer is easier, thereby reducing the negative influence caused by stress fluctuation.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Hohlabschnitt dafür ausgelegt, die Verformung der ersten Sektion in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche auszuhalten,
der zweite Hohlabschnitt ist ausgelegt, die Verformung der zweiten Sektion in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche auszuhalten.In a preferred embodiment, the first hollow section is designed to withstand deformation of the first section in a plane parallel to the upper surface,
the second hollow section is designed to withstand deformation of the second section in a plane parallel to the upper surface.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Form des ersten Verbindungsabschnitts adaptiv zu der der ersten Elektrode, die Form des zweiten Verbindungsabschnitts ist adaptiv zu der der zweiten Elektrode.In a preferred embodiment, the shape of the first connection section is adaptive to that of the first electrode, the shape of the second connection section is adaptive to that of the second electrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen sowohl die erste Elektrode als auch die zweite Elektrode beide eine kammartige Form auf.In a preferred embodiment, both the first electrode and the second electrode both have a comb-like shape.

In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Leistungselement entlang einer Primärrichtung, wobei die erste Elektrode beziehungsweise die zweite Elektrode eine Primärsektion, die sich entlang der Primärrichtung erstreckt, umfassen und die erste Elektrode und die zweite Elektrode einander gegenüber entlang einer Sekundärrichtung senkrecht zu der Primärrichtung vorgesehen sind, der erste Hohlabschnitt mehrere Durchgangslöcher und/oder -schlitze umfasst, die entlang der Primärrichtung angeordnet sind, der zweite Hohlabschnitt mehrere Durchgangslöcher und/oder -schlitze umfasst, die entlang der Primärrichtung vorgesehen sind.In a preferred embodiment, the power element extends along a primary direction, wherein the first electrode and the second electrode respectively comprise a primary section that extends along the primary direction and the first electrode and the second electrode are provided opposite one another along a secondary direction perpendicular to the primary direction , the first hollow section comprises a plurality of through holes and/or slots arranged along the primary direction, the second hollow section comprises a plurality of through holes and/or slots which are provided along the primary direction.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die erste Elektrode beziehungsweise die zweite Elektrode mehrere Zweigsektionen, die an die jeweilige Primärsektion angeschlossen sind, wobei sich die Zweigsektionen entlang der Sekundärrichtung erstrecken, die Durchgangslöcher und/oder -schlitze des Hohlabschnitts und die Zweigsektionien der ersten Elektrode versetzt sind, die Durchgangslöcher und/oder -schlitze des zweiten Hohlabschnitts und die Zweigsektionen der zweiten Elektrode versetzt sind.In a preferred embodiment, the first electrode or the second electrode comprise a plurality of branch sections which are connected to the respective primary section, the branch sections extending along the secondary direction, the through holes and/or slots of the hollow section and the branch sections of the first electrode being offset, the through holes and/or slots of the second hollow section and the branch sections of the second electrode are offset.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungselement weiter eine dritte Elektrode an der Ecke der oberen Oberfläche auf, die Verdrahtungsschicht umfasst weiter eine dritte Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt und keinen Kontakt entweder mit der ersten Sektion oder der zweiten Sektion aufweist, wobei die dritte Sektion einen dritten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der dritten Elektrode verbunden ist, und mindestens ein Teil des dritten Verbindungsabschnitts sich über den Rand des Leistungselements erstreckt.In a preferred embodiment, the power element further includes a third electrode at the corner of the top surface, the wiring layer further includes a third section extending parallel to the top surface and not in contact with either the first section or the second section, wherein the third section includes a third connection portion electrically connected to the third electrode, and at least a portion of the third connection portion extends over the edge of the power element.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke der Verdrahtungsschicht zwischen 50 µm und 400 µm. Die erste Sektion, die zweite Sektion und die dritte Sektion könnten entweder die gleiche Dicke oder eine andere Dicke aufweisen. Die Dicke der Verdrahtungsschicht variiert in einem großen Bereich, der die Bearbeitungsgenauigkeitsanforderung reduziert. Abgesehen davon trägt eine dickere Verdrahtungsschicht (300 µm-400 µm) dazu bei, den Widerstand und die Induktanz zu reduzieren. Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verdrahtungsschicht an die Elektroden des Leistungselements gelötet.In a preferred embodiment, the thickness of the wiring layer is between 50 μm and 400 μm. The first section, the second section and the third section could have either the same thickness or a different thickness. The thickness of the wiring layer varies in a wide range, which reduces the machining accuracy requirement. Apart from that, a thicker wiring layer (300µm-400µm) helps reduce resistance and inductance. In yet another preferred embodiment, the wiring layer is soldered to the electrodes of the power element.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Verbindungsposition, wo die Verdrahtungsschicht mit der Schaltungsschicht verbunden ist, weg von irgendeiner der Elektroden des Leistungselements. Bei diesem Design kann die Verformung der Verdrahtungsschicht, verursacht durch von dem Leistungselement erzeugte Wärme, das Leistungselement kaum beeinflussen (insbesondere die Elektroden des Leistungselements). Außerdem könnte die Verdrahtungsschicht diese Verformung in einem gewissen Ausmaß aushalten, weshalb die elektrische Verbindung zwischen der Verdrahtungsschicht und dem Leistungselement und die zwischen der Verdrahtungsschicht und der Schaltungsschicht beide gesichert sind.In a preferred embodiment, the connection position where the wiring layer is connected to the circuit layer is away from any of the electrodes of the power element. With this design, the deformation of the wiring layer caused by heat generated by the power element can hardly affect the power element (especially the electrodes of the power element). In addition, the wiring layer could withstand this deformation to a certain extent, therefore the electrical connection between the wiring layer and the power element and that between the wiring layer and the circuit layer are both secured.

Andere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen.Other aspects and advantages of the embodiments will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate, by way of example, the principles of the described embodiments.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die beschriebenen Ausführungsformen und ihre Vorteile können am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden. Diese Zeichnungen beschränken auf keinerlei Weise etwaige Änderungen hinsichtlich Form und Detail, die von einem Fachmann an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.

  • 1 ist eine Draufsicht einer GaN-Einrichtung, die die Anordnung von Elektroden zeigt.
  • 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht dessen, wie die Verdrahtungsschicht auf der GaN-Einrichtung angeordnet ist.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie A-A.
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie B-B.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie C-C.
  • 6 ist eine Draufsicht einer anderen Anordnung der Verdrahtungsschicht.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungselementintegrationsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
The described embodiments and their advantages can best be understood by reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. These drawings in no way limit any changes in form and detail that may be made to the described embodiments by one skilled in the art without departing from the spirit and scope of the described embodiments.
  • 1 is a top view of a GaN device showing the arrangement of electrodes.
  • 2 is an exploded view of how the wiring layer is arranged on the GaN device.
  • 3 shows a cross-sectional view of 2 along line AA.
  • 4 shows a cross-sectional view of 2 along line BB.
  • 5 shows a cross-sectional view of 2 along the line CC.
  • 6 is a top view of another arrangement of the wiring layer.
  • 7 shows a cross-sectional view of a power element integration module according to another embodiment of the disclosure.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Offenbarung ausführlich beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1-6, wobei eine GaN-Einrichtung als ein Beispiel eines Leistungselements genommen wird, wird eine schematische Konfiguration eines Leistungselementintegrationsmoduls gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung offenbart. Das Leistungselementintegrationsmodul umfasst ein Leistungselement 1 mit einer ersten Elektrode und zweiten Elektrode (beispielsweise Source und Drain) 12, 13 auf ihrer oberen Oberfläche (xy-Ebene) und eine Schaltungsschicht 3, die Elektroden erstrecken sich beide entlang einer Primärrichtung (y-Achse). Jede Elektrode 12, 13 weist eine Primärsektion 121, 131 auf, die sich entlang der Primärrichtung erstreckt, und mehrere Zweigsektionen 122, 132, die an die jeweilige Primärsektion 121, 131 angeschlossen sind, die sich entlang einer Sekundärrichtung (x-Achse) erstrecken. Wie in 1 gezeigt, weisen die sowohl erste Elektrode 12 als auch die zweite Elektrode 13 beide eine kammartige Form auf.Referring now to the drawings, embodiments of the disclosure will be described in detail. With reference to 1 - 6 , taking a GaN device as an example of a power element, a schematic configuration of a power element integration module according to an embodiment of the disclosure is disclosed. The power element integration module includes a power element 1 with a first electrode and second electrode (e.g. source and drain) 12, 13 on its upper surface (xy plane) and a circuit layer 3, the electrodes both extending along a primary direction (y axis). Each electrode 12, 13 has a primary section 121, 131 extending along the primary direction and a plurality of branch sections 122, 132 connected to the respective primary section 121, 131 extending along a secondary direction (x-axis). As in 1 shown, both the first electrode 12 and the second electrode 13 both have a comb-like shape.

Das Leistungselementintegrationsmodul umfasst weiter eine Verdrahtungsschicht 2, die auf den Elektroden 12, 13 gebildet und elektrisch mit den Elektroden 12, 13 verbunden ist. Insbesondere umfasst die Verdrahtungsschicht eine erste Sektion 22, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, und eine zweite Sektion 23, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, wobei die erste Sektion 22 keinen Kontakt mit der zweiten Sektion 23 aufweist. Die erste Sektion 22 umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 221, der elektrisch mit der ersten Elektrode 12 verbunden ist, und einen ersten Hohlabschnitt 222, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der ersten Sektion 22 während des Betriebs des Leistungselements (GaN-Einrichtung 1), die zweite Sektion 22 umfasst einen zweiten Verbindungsabschnitt 231, der elektrisch mit der zweiten Elektrode 13 verbunden ist, und einen zweiten Hohlabschnitt 232, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der zweiten Sektion 23 während des Betriebs des Leistungselements. In dieser Ausführungsform ist die Form des ersten Verbindungsabschnitts 221 adaptiv zu der der ersten Elektrode 12, und die Form des zweiten Verbindungsabschnitts 231 ist adaptiv zu der der zweiten Elektrode 13.The power element integration module further includes a wiring layer 2 formed on the electrodes 12, 13 and electrically connected to the electrodes 12, 13. In particular, the wiring layer includes a first section 22 that extends parallel to the top surface and a second section 23 that extends parallel to the top surface, the first section 22 having no contact with the second section 23. The first section 22 includes a first connection portion 221 electrically connected to the first electrode 12, and a first hollow portion 222 configured to tolerate deformation of the first section 22 during operation of the power element (GaN device 1). Second section 22 includes a second connection portion 231 electrically connected to the second electrode 13, and a second hollow portion 232 configured to tolerate deformation of the second section 23 during operation of the power element. In this embodiment, the shape of the first connection portion 221 is adaptive to that of the first electrode 12, and the shape of the second connection portion 231 is adaptive to that of the second electrode 13.

Hauptsächlich unter Bezugnahme auf 3-5 ist eine Ansteuerplatine 3 (einschließlich einer Schaltungsschicht) zum Ansteuern des Leistungselements 1 auf der Verdrahtungsschicht vorgesehen. Die Schaltungsschicht ist ein Metallmuster (bezeichnet als 31, 32), das auf der Ansteuerplatine vorgesehen ist. Das Metallmuster wird durch Ätzen von Kupfer gebildet und stellt eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Leistungselements dar, und ein (nichtgezeigtes) Lot ist vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen der Schaltungsschicht 3 und den Elektroden 12, 13 über die Verdrahtungsschicht herzustellen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht liegt zwischen dem des Leistungselements 1 und dem der Schaltungsschicht 3. Während des Betriebs des Leistungselements 1 wird durch das Leistungselement 1 eine Menge Wärme erzeugt, und die Verdrahtungsschicht wird unter dem Einfluss derartiger Wärme verformt. Mit den Hohlabschnitten wird eine derartige Verformung toleriert, und die durch diese Verformung verursachte Beanspruchung kann kaum einen Kurzschluss des Leistungselementintegrationsmoduls verursachen, da das Lot weniger leicht bricht. In diesem Design wird die Verdrahtungsschicht mit einer adaptiven Form der beiden Elektroden 12, 13 die elektrische Verbindung (zwischen dem Leistungselement und der Schaltungsschicht) weniger herausfordernd, da die Kontaktoberfläche vergrößert ist.Mainly with reference to 3 - 5 a driving board 3 (including a circuit layer) for driving the power element 1 is provided on the wiring layer. The circuit layer is a metal pattern (designated 31, 32) provided on the drive board. The metal pattern is formed by etching copper and represents a driving circuit for driving the power element, and a solder (not shown) is provided to make an electrical connection between the circuit layer 3 and the electrodes 12, 13 via the wiring layer. The thermal expansion coefficient of the wiring layer is between that of the power element 1 and that of the circuit layer 3. During operation of the power element 1, a lot of heat is generated by the power element 1, and the wiring layer is deformed under the influence of such heat. With the hollow sections, such deformation is tolerated, and the stress caused by this deformation can hardly cause a short circuit of the power element integration module because the solder is less likely to break. In this design, the wiring layer with an adaptive shape of the two electrodes 12, 13 makes the electrical connection (between the power element and the circuit layer) less challenging because the contact surface is increased.

Hinsichtlich der Miniaturisierung des Leistungselements wird die Größe des Leistungselements (insbesondere eine GaN-Einrichtung) kleiner, was die Schwierigkeit des Herstellens der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungselement und der Schaltungsschicht erhöht. In diesem Fall erstreckt sich, um die Ausrichtschwierigkeit einer elektrischen Verbindung zu verringern (beispielsweise mit Hilfe des Lötens), mindestens ein Teil des ersten Verbindungsabschnitts 221 über den Rand des Leistungselements 1 hinaus, und mindestens ein Teil des zweiten Verbindungsabschnitts 231 erstreckt sich über den Rand des Leistungselements hinaus. Mit Hilfe des ersten und des zweiten Verbindungsabschnitts 221, 231 wird die Verdrahtungsschicht zu dem über Oberflächenkontakt mit dem Leistungselement 1 verbunden, wodurch die parasitäre Induktanz breit reduziert wird.Regarding the miniaturization of the power element, the size of the power element (particularly a GaN device) becomes smaller, which increases the difficulty of making the electrical connection between the power element and the circuit layer. In this case, in order to reduce the alignment difficulty of an electrical connection (for example, by means of soldering), at least a part of the first connection portion 221 extends beyond the edge of the power element 1, and at least a part of the second connection portion 231 extends beyond the edge of the performance element. With the help of the first and second connection portions 221, 231, the wiring layer is connected to the power element 1 via surface contact, thereby broadly reducing the parasitic inductance.

Der erste Hohlabschnitt 222 und der zweite Hohlabschnitt 232 sind jeweils ausgelegt, die Verformung der ersten Sektion 22 und der zweiten Sektion 23 in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche auszuhalten. Die durch das Leistungselement 1 erzeugte Wärme wird sich schnell zu der Verdrahtungsschicht ausbreiten und die Verformung der Verdrahtungsschicht verursachen. Eine derartige Verformung (insbesondere eine Verformung in der Ebene parallel zu der oberen Oberfläche) wird jedoch durch den ersten Hohlabschnitt 222 und den zweiten Hohlabschnitt 232 ertragen. Somit wirkt weniger Beanspruchungseinfluss auf das Leistungselement, und die elektrische Verbindung zwischen Leistungselement und der Schaltungsschicht ist gesichert.The first hollow portion 222 and the second hollow portion 232 are each designed to withstand the deformation of the first section 22 and the second section 23 in a plane parallel to the upper surface. The heat generated by the power element 1 will quickly spread to the wiring layer and cause the deformation of the wiring layer. However, such deformation (particularly deformation in the plane parallel to the upper surface) is endured by the first hollow portion 222 and the second hollow portion 232. This means that less stress influences the power element, and the electrical connection between the power element and the circuit layer is secured.

Unter Bezugnahme auf 1-2 weist das Leistungselement weiter eine dritte Elektrode 11 (Gate) auf der Ecke der oberen Oberfläche auf. die Verdrahtungsschicht umfasst weiter eine dritte Sektion 21, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt und keinen Kontakt entweder mit der ersten Sektion 22 oder der zweiten Sektion 23 aufweist, um einen Kurzschluss zu verhindern. Die dritte Sektion umfasst einen dritten Verbindungsabschnitt 211, der elektrisch mit der dritten Elektrode 11 verbunden ist, und mindestens ein Teil des dritten Verbindungsabschnitts erstreckt sich über den Rand des Leistungselements hinaus. In einigen GaN-Einrichtungen weist die Gateelektrode im Vergleich zu der Source- oder Drainelektrode eine viel geringere Größe auf. Mit dem dritten Verbindungsabschnitt 211 ist eine elektrische Verbindung auf der Gateelektrode viel leichter.With reference to 1 - 2 the power element further includes a third electrode 11 (gate) on the corner of the upper surface. the wiring layer further includes a third section 21 which extends parallel to the upper surface and has no contact with either the first section 22 or the second section 23 to prevent a short circuit. The third section includes a third connection portion 211 electrically connected to the third electrode 11, and at least a part of the third connection portion extends beyond the edge of the power element. In some GaN devices, the gate electrode has a much smaller size compared to the source or drain electrode. With the third connection portion 211, electrical connection on the gate electrode is much easier.

Unter Bezugnahme auf 6 umfassen in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sowohl der erste Hohlabschnitt 222 (in 6 ist nur die erste Sektion 22 gezeigt) als auch der zweite Hohlabschnitt mehrere Durchgangslöcher auf, die entlang der Primärrichtung (y-Achse) angeordnet sind. Die Durchgangslöcher des ersten Hohlabschnitts und die Zweigsektionen 122 der ersten Elektrode 12 sind versetzt, und analog sind die Durchgangslöcher des zweiten Hohlabschnitts und der Zweigsektionen 132 der zweiten Elektrode 13 ebenfalls versetzt, wodurch eine kompakte Anordnung entsteht.With reference to 6 In a further preferred embodiment, both the first hollow section 222 (in 6 only the first section 22 is shown) as well as the second hollow section have a plurality of through holes which are arranged along the primary direction (y-axis). The through holes of the first hollow portion and the branch sections 122 of the first electrode 12 are offset, and similarly, the through holes of the second hollow portion and the branch sections 132 of the second electrode 13 are also offset, thereby creating a compact arrangement.

Unter Bezugnahme auf 7 ist in einer weiteren bevorzugen Anordnung die Schaltungsschicht (die Metallmuster 31, 32 umfassend) elektrisch mit Hilfe des Lötens über Lote 4 mit der Verdrahtungsschicht verbunden. Die Verbindungspositionen, wo die Verdrahtungsschicht mit der Schaltungsschicht verbunden ist (die Lote 4) befinden sich weg von irgendeiner der Elektroden (121, 131) des Leistungselements. Wie in 7 gezeigt, als Beispiel, sind entlang der x-Achse das Lot 4 und die Elektrode 121 an den gegenüberliegenden Enden des ersten Verbindungsabschnitts 221 vorgesehen.With reference to 7 In a further preferred arrangement, the circuit layer (comprising the metal patterns 31, 32) is electrically connected to the wiring layer using soldering via solders 4. The connection positions where the wiring layer is connected to the circuit layer (the solders 4) are away from any of the electrodes (121, 131) of the power element. As in 7 shown, as an example, the solder 4 and the electrode 121 are provided at the opposite ends of the first connection portion 221 along the x-axis.

Eine Anzahl alternativer struktureller Elemente und Verarbeitungsschritte sind für die bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen worden. Während die Offenbarung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Beschreibung somit für die Offenbarung veranschaulichend und ist nicht als die Offenbarung beschränkend auszulegen. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können sich dem Fachmann ergeben, ohne von dem wahren Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.A number of alternative structural elements and processing steps have been suggested for the preferred embodiment. Thus, while the disclosure has been described with reference to specific embodiments, the description is illustrative of the disclosure and is not to be construed as limiting the disclosure. Various modifications and applications may occur to those skilled in the art without departing from the true spirit and scope of the disclosure as defined by the appended claims.

Claims (9)

Leistungselementintegrationsmodul, umfassend: ein Leistungselement mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf seiner oberen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungselementintegrationsmodul weiter umfasst: eine Verdrahtungsschicht, umfassend eine erste Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, und eine zweite Sektion, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt, wobei die erste Sektion keinen Kontakt mit der zweiten Sektion aufweist, und eine Schaltungsschicht, elektrisch mit der Verdrahtungsschicht verbunden, wobei die erste Sektion einen ersten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und einen ersten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der ersten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei die zweite Sektion einen zweiten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, und einen zweiten Hohlabschnitt, der ausgelegt ist zum Tolerieren einer Verformung der zweiten Sektion während des Betriebs des Leistungselements, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verdrahtungsschicht entweder gleich dem der Schaltungsschicht ist oder zwischen dem des Leistungselements und dem der Schaltungsschicht liegt.A power element integration module comprising: a power element having a first electrode and a second electrode on its upper surface, characterized in that the power element integration module further comprises: a wiring layer comprising a first section extending parallel to the upper surface and a second section, which extends parallel to the upper surface, wherein the first section has no contact with the second section, and a circuit layer electrically connected to the wiring layer, the first section including a first connection portion electrically connected to the first electrode and a first hollow portion configured to tolerate deformation of the first section during operation of the power element, wherein the second section includes a second connection portion electrically connected to the second electrode, and a second hollow portion configured to tolerate deformation of the second section during operation of the power element, wherein the coefficient of thermal expansion of the wiring layer is either equal to that of the circuit layer or lies between that of the power element and that of the circuit layer. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des ersten Verbindungsabschnitts sich über den Rand des Leistungselements erstreckt und sich mindestens ein Teil des zweiten Verbindungsabschnitts über den Rand des Leistungselements erstreckt.Power element integration module Claim 1 , characterized in that at least a part of the first connection section extends over the edge of the power element and at least a part of the second connection section extends over the edge of the power element. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlabschnitt ausgelegt ist zum Aushalten der Verformung der ersten Sektion in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche, der zweite Hohlabschnitt ausgelegt ist zum Aushalten der Verformung der zweiten Sektion in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche.Power element integration module Claim 1 , characterized in that the first hollow portion is designed to withstand the deformation of the first section in a plane parallel to the upper surface, the second hollow portion is designed to withstand the deformation of the second section in a plane parallel to the upper surface. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ersten Verbindungsabschnitts adaptiv zu der der ersten Elektrode ist, die Form des zweiten Verbindungsabschnitts adaptiv zu der der zweiten Elektrode ist.Power element integration module Claim 1 , characterized in that the shape of the first connection section is adaptive to that of the first electrode, the shape of the second connection section is adaptive to that of the second electrode. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode beide eine kammartige Form aufweisen.Power element integration module Claim 4 , characterized in that the first electrode and the second electrode both have a comb-like shape. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungselement sich entlang einer Primärrichtung erstreckt, wobei die erste Elektrode beziehungsweise die zweite Elektrode eine Primärsektion, die sich entlang der Primärrichtung erstreckt, umfassen und die erste Elektrode und die zweite Elektrode einander gegenüber entlang einer Sekundärrichtung senkrecht zu der Primärrichtung vorgesehen sind, der erste Hohlabschnitt mehrere Durchgangslöcher und/oder -schlitze umfasst, die entlang der Primärrichtung angeordnet sind, der zweite Hohlabschnitt mehrere Durchgangslöcher und/oder -schlitze umfasst, die entlang der Primärrichtung vorgesehen sind.Power element integration module Claim 1 , characterized in that the power element extends along a primary direction, wherein the first electrode and the second electrode respectively comprise a primary section extending along the primary direction, and the first electrode and the second electrode are provided opposite one another along a secondary direction perpendicular to the primary direction are, the first hollow section comprises a plurality of through holes and / or slots which are arranged along the primary direction, the second hollow section comprises a plurality of through holes and / or slots which are provided along the primary direction. Leistungselementintegrationsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode beziehungsweise die zweite Elektrode mehrere Zweigsektionen umfassen, die an die jeweilige Primärsektion angeschlossen sind, wobei sich die Zweigsektionen entlang der Sekundärrichtung erstrecken, die Durchgangslöcher und/oder -schlitze des ersten Hohlabschnitts und die Zweigsektionien der ersten Elektrode versetzt sind, die Durchgangslöcher und/oder -schlitze des zweiten Hohlabschnitts und die Zweigsektionen der zweiten Elektrode versetzt sind.Power element integration module Claim 6 , characterized in that the first electrode and the second electrode respectively comprise a plurality of branch sections which are connected to the respective primary section, the branch sections extending along the secondary direction, the through holes and/or slots of the first hollow section and the branch sections of the first electrode being offset are, the through holes and/or slots of the second hollow portion and the branch sections of the second electrode are offset. Leistungselementintegrationsmodul nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungselement weiter eine dritte Elektrode an der Ecke der oberen Oberfläche aufweist, die Verdrahtungsschicht weiter eine dritte Sektion umfasst, die sich parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt und keinen Kontakt mit entweder der ersten Sektion oder der zweiten Sektion aufweist, wobei die dritte Sektion einen dritten Verbindungsabschnitt umfasst, der elektrisch mit der dritten Elektrode verbunden ist, und mindestens ein Teil des dritten Verbindungsabschnitts sich über den Rand des Leistungselements erstreckt.Power element integration module according to one of the Claims 1 - 7 , characterized in that the power element further includes a third electrode at the corner of the top surface, the wiring layer further includes a third section extending parallel to the top surface and not in contact with either the first section or the second section, wherein the third section includes a third connection portion electrically connected to the third electrode, and at least a portion of the third connection portion extends over the edge of the power element. Leistungselementintegrationsmodul nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsposition, wo die Verdrahtungsschicht mit der Schaltungsschicht verbunden ist, von einer beliebigen der Elektroden des Leistungselements weg ist.Power element integration module according to one of the Claims 1 - 7 , characterized in that the connection position where the wiring layer is connected to the circuit layer is away from any of the electrodes of the power element.
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