DE102022208583A1 - Leistungshalbleitermodul mit innerem kühlkanal - Google Patents

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Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul (10) umfasst: ein Hauptsubstrat (20), das eine erste Metallisierungsschicht (22a) und eine zweite Metallisierungsschicht (22b), die parallel zu der ersten Metallisierungsschicht (22a) verläuft, umfasst; einen ersten Halbleiterchip (12a), der auf der ersten Metallisierungsschicht (22a) angeordnet ist; und einen zweiten Halbleiterchip (12b), der auf der zweiten Metallisierungsschicht (22b) angeordnet ist. Die erste Metallisierungsschicht (22a) ist dazu strukturiert, einen ersten DC-Bereich (24a) und einen ersten AC-Bereich (26a) bereitzustellen; wobei der erste Halbleiterchip (12a) an die erste Metallisierungsschicht (22a) gebondet ist, so dass Leistungselektroden (14a) des ersten Halbleiterchips (12a) mit dem ersten DC-Bereich (24a) und dem ersten AC-Bereich (26a) elektrisch verbunden sind. Die zweite Metallisierungsschicht (22b) ist dazu strukturiert, einen zweiten DC-Bereich (24b) und einen zweiten AC-Bereich (26b) bereitzustellen; wobei der zweite Halbleiterchip (12b) an die zweite Metallisierungsschicht (22b) gebondet ist, so dass Leistungselektroden (14b) des zweiten Halbleiterchips (12b) mit dem zweiten DC-Bereich (24b) und dem zweiten AC-Bereich (26b) elektrisch verbunden sind. Das Leistungshalbleitermodul (10) umfasst mindestens einen Kühlkanal (32) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und dem zweiten Halbleiterchip (12b).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls.
  • In Kraftfahrzeuganwendungen mit elektrischen Antrieben, wie etwa Elektroautos und Elektro-LKWs, werden Leistungshalbleitermodule zum Montieren von Wechselrichtern verwendet, die aus einem DC-Strom, der durch eine elektrische Batterie bereitgestellt werden kann, den AC-Strom erzeugen, der zum Ansteuern eines Elektromotors erforderlich ist. Momentan umfassen solche Leistungshalbleitermodule Si-Halbleiter. Aufgrund ihrer höheren Betriebsspannungen und den möglichen höheren Schaltfrequenzen, die zu geringeren Verlusten und einer effizienteren Anwendung der Leistungshalbleitermodule führen können, wird jedoch auch in Betracht gezogen, Halbleiter mit großer Bandlücke zu verwenden.
  • Solche auf Halbleitern mit großer Bandlücke basierenden Leistungshalbleitermodule können von neuen Moduldesigns profitieren, da höhere Schaltfrequenzen in der Regel zu einer anderen und/oder stärkeren elektromagnetischen Strahlung und Verlusten führen. Ferner kann ein Betrieb bei höheren Spannungen bessere lokale Kühlfähigkeiten erfordern.
  • Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das die oben genannten Probleme verringert. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Ein Leistungshalbleitermodul ist eine Vorrichtung zum mechanischen und elektrischen Miteinanderverbinden von Leistungshalbleiterchips. Hier und im Folgenden bezieht sich der Begriff „Leistungs-“ auf Vorrichtungen und Elemente, die zum Verarbeiten von Spannungen von mehr als 100 V und/oder mehr als 10 A eingerichtet sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungshalbeitermodul ein Hauptsubstrat, das eine erste Metallisierungsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Metallisierungsschicht verläuft, umfasst. Die Metallisierungsschicht kann durch eine Isolationsschicht (d. h. elektrisch isolierende Schicht), wie zum Beispiel eine Keramikschicht, Kunststoffschicht und/oder Formmassenschicht, getrennt sein. Zum Beispiel kann das Hauptsubstrat durch eine Leiterplatte bereitgestellt werden, d. h. kann zwei Metallisierungsschichten auf Seiten einer Kunststoffschicht umfassen. Es kann auch der Fall sein, dass das Hauptsubstrat durch ein DBC-Substrat (DBC - direct bonded copper), d. h. zwei Kupferschichten auf einer Keramikschicht, bereitgestellt wird. Die erste Metallisierungsschicht und die zweite Metallisierungsschicht können aus Metall, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt sein. Es kann auch der Fall sein, dass das Hauptsubstrat einen Leiterrahmen, d. h. eine Metallplatte, die zum Bilden der AC- und DC-Bereiche gestanzt worden ist, umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungshalbleitermodul ferner einen ersten Halbleiterchip, der auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist, und einen zweiten Halbleiterchip, der auf der zweiten Metallisierungsschicht angeordnet ist. Solche Chips können ein Kunststoffgehäuse aufweisen, das ein aus einem Halbleitermaterial hergestelltes Die umschließt, das die Funktionalität des Chips bereitstellt. Die Halbleiterchips können Transistoren oder Thyristoren umfassen und/oder sein. Jeder Chip stellt auch Leistungselektroden, denen durch die Vorrichtung der Hauptstrom zugeführt werden soll (wie beispielsweise Drain- und Source-Elektroden oder Emitter- und Kollektor-Elektroden) und Steuerelektroden zum Schalten des Hauptstroms (wie zum Beispiel eine Gate-Elektrode oder eine Basiselektrode) bereit. Die Chips können passive Elemente, wie zum Beispiel Dioden-Chips, oder aktive Elemente, wie zum Beispiel aktiv schaltbare Halbleiterchips, sein. Im Fall von Dioden-Chips sind Steuerelektroden eine Anode und Kathode.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Metallisierungsschicht dazu strukturiert, einen ersten DC-Bereich und einen ersten AC-Bereich bereitzustellen. Die beiden Bereiche können bezüglich einer Isolationsschicht des Hauptsubstrats zwischen den Metallisierungsschichten voneinander getrennt sein. Der erste Halbleiterchip ist an die erste Metallisierungsschicht gebondet, so dass Leistungselektroden des ersten Halbleiterchips mit dem ersten DC-Bereich und dem ersten AC-Bereich elektrisch verbunden sind.
  • Analog dazu ist die zweite Metallisierungsschicht dazu strukturiert, einen zweiten DC-Bereich und einen zweiten AC-Bereich bereitzustellen. Die beiden Bereiche können bezüglich einer Isolationsschicht des Hauptsubstrats zwischen den Metallisierungsschichten voneinander getrennt sein. Der zweite Halbleiterchip ist an die zweite Metallisierungsschicht gebondet, so dass Leistungselektroden des zweiten Halbleiterchips mit dem zweiten DC-Bereich und dem zweiten AC-Bereich elektrisch verbunden sind.
  • Es kann auch der Fall sein, dass die erste Metallisierungsschicht einen ersten Steuerbereich umfasst, der von dem ersten DC-Bereich und dem ersten AC-Bereich getrennt sein kann. Eine Steuerelektrode des ersten Halbleiterchips kann an den ersten Steuerbereich gebondet sein. Analog dazu kann die zweite Metallisierungsschicht einen zweiten Steuerbereich umfassen, der von dem zweiten DC-Bereich und dem zweiten AC-Bereich getrennt sein kann. Eine Steuerelektrode des zweiten Halbleiterchips kann an den zweiten Steuerbereich gebondet sein.
  • Es kann der Fall sein, dass die Leistungselektroden und wahlweise die Steuerelektrode eines Halbleiterchips auf der gleichen Seite des Halbleiterchips vorgesehen sind.
  • „Auf der Isolationsschicht voneinander getrennt“ kann bedeuten, dass die entsprechenden Komponenten elektrisch voneinander isoliert sind, wenn der jeweilige Halbleiterchip und elektrische Verbindungen mit den Metallisierungsschichten nicht vorhanden sind.
  • Hier und im Folgenden kann sich Bonden auf einen Prozess zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier metallischer Elemente, wie zum Beispiel Löten, Schweißen und Sintern, beziehen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungshalbleitermodul mindestens einen Kühlkanal zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip. Solch ein Kühlkanal ist so ausgeführt, dass ein Kühlfluid durch das Leistungshalbleitermodul strömen kann. Dieses Kühlfluid kann ein Gas, wie zum Beispiel Luft, oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, sein. Der Kühlkanal kann von den Metallisierungsschichten und/oder dem Halbleiterchip elektrisch isoliert sein. Dies kann mit Isolationsmaterial des Leistungshalbleitermoduls, wie zum Beispiel vom Hauptsubstrat, und/oder Formmasse, in der Elemente des Leistungshalbleitermoduls eingeschlossen sind, erfolgen.
  • Ein Kühlkanal in der Mitte des Leistungshalbeitermoduls zwischen den Halbleiterchips verbessert das Kühlen der Halbleiterchips, die Chips aus einem Material mit großer Bandlücke sein können, die aufgrund höherer Schaltfrequenzen mehr Wärme als herkömmliche Halbleiterchips erzeugen können. Der Kühlkanal kann darüber hinaus zum Kühlen von Elementen, die auf Außenseiten des Leistungshalbleitermoduls vorgesehen sind, verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste AC-Bereich und der zweite AC-Bereich auf einer ersten kleinen Seite des Hauptsubstrats miteinander verbunden, so dass der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip über die erste Metallisierungsschicht und die zweite Metallisierungsschicht zum Bilden einer Halbbrücke elektrisch verbunden sind.
  • Die Schichten des Hauptsubstrats erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Ebene. Auch die Seiten des Hauptsubstrats, an die die Halbleiterchips gebondet sind, erstrecken sich in dieser Ebene. Die kleinen Seiten des Hauptsubstrats befinden sich an einer Grenze des Hauptsubstrats, das eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen kann. An einer dieser kleinen Seiten können die AC-Bereiche miteinander verbunden sein und/oder können mit einem AC-Anschluss des Leistungshalbleitermoduls verbunden sein. Zum Beispiel können die AC-Bereiche über eine Grenze der Zwischenisolationsschicht hervorstehen und dort aneinandergebondet sein. An der anderen und/oder gegenüberliegenden kleinen Seite kann jeder der DC-Bereiche einen DC-Anschluss des Leistungshalbleitermoduls bereitstellen.
  • Auf diese Weise wird aus dem ersten und zweiten Halbleiterchip eine Halbbrücke gebildet. Solche Halbbrücken können zum Erzeugen der Phase eines AC-Stroms aus einem DC-Strom verwendet werden. Das Leistungshalbleitermodul kann als ein Halbbrückenmodul betrachtet werden.
  • Da die beiden Leistungshalbleiterchips auf gegenüberliegenden Seiten des Leistungshalbleitermoduls angeordnet sind, sind sie beide für Kühlelemente besser erreichbar. Des Weiteren kann eine aus den AC-Bereichen und DC-Bereichen gebildete Induktionsschleife kleiner als für herkömmliche Leistungshalbleitermodule ausgeführt sein. Dies führt zu einer geringeren Streuinduktivität von Leiterschleifen, die durch das Leistungshalbleitermodul zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten, mit denen das Leistungshalbeitermodul verbunden ist, gebildet sind. Dies kann günstig sein, wenn die Leistungshalbleiterchips mit höheren Frequenzen als gewöhnliche Vorrichtungen geschaltet werden.
  • Ein weiterer Vorteil ist ein kompakteres Design des Leistungshalbleitermoduls. Der in der Regel im Wesentlichen quaderförmige Raum, der von dem Leistungshalbleitermodul eingenommen wird, kann mehr als Würfel als ein flacher Kasten ausgeführt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal zwischen dem ersten DC-Bereich und dem ersten AC-Bereich angeordnet. Es kann auch der Fall sein, dass mindestens ein Kühlkanal zwischen dem zweiten DC-Bereich und dem zweiten AC-Bereich angeordnet ist. Insbesondere kann es einen Kühlkanal geben, der zwischen dem ersten DC-Bereich und dem ersten AC-Bereich und zwischen dem zweiten DC-Bereich und dem zweiten AC-Bereich angeordnet ist. Hinsichtlich einer Ebene, die parallel zu der ersten und zweiten Metallisierungsschicht verläuft und/oder die als eine Erstreckungsebene des Hauptsubstrats angesehen werden kann, kann der mindestens eine Kühlkanal über Innenseiten einer oder beider Metallisierungsschichten hervorstehen, so dass eine Wand des Kühlkanals näher an dem jeweiligen Halbleiterchip liegt als die Innenseite der jeweiligen Metallisierungsschicht. Der Raum zwischen dem jeweiligen DC-Bereich und dem jeweiligen AC-Bereich kann genutzt werden und/oder die Kühlfähigkeit kann erhöht werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Kühlkanal zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet. Es kann der Fall sein, dass nur ein einziger Kühlkanal zwischen den Halbleiterchips angeordnet ist. Dann können beide Halbleiterchips mit einem einzigen Kühlkanal gekühlt werden. Dies kann die Stabilität des Leistungshalbleitermoduls erhöhen und/oder die Herstellung vereinfachen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Kühlkanäle zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, dass ein eigens vorgesehener Kühlkanal für jeden Halbleiterchip vorhanden ist. Die Kühlkanäle können individuell angeordnet sein, um das Kühlen des jeweiligen Halbleiterchips zu optimieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überlappen sich die Kühlkanäle aus einer Blickrichtung orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats. Die Kühlkanäle können miteinander gestapelt sein. Dies kann das Volumen des Leistungshalbleitermoduls verkleinern.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Kühlkanäle aus der Blickrichtung orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats voneinander beabstandet sein. Dies kann die Stabilität des Leistungshalbleitermoduls erhöhen und/oder die Wärmeübertragung von den Halbleiterchips erhöhen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip bezüglich des Hauptsubstrats einander gegenüber angeordnet. Bezüglich einer Blickrichtung auf die Erstreckungsebene des Hauptsubstrats können sich der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip teilweise und/oder im Wesentlichen ganz überlappen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal in einem Überlappungsvolumen zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnet. Dies kann den Abstand zu den Halbleiterchips gering halten.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal in einer Formmasse gebildet, in der das Leistungshalbleitermodul zumindest teilweise geformt und/oder eingebettet ist. Nach der Montage und/oder dem Bonden der Komponenten des Leistungshalbeitermoduls kann das Leistungshalbleitermodul in einer Formmasse teilweise eingeschlossen und/oder eingebettet werden. Die Formmasse kann mechanische Stabilität bereitstellen, kann den elektrischen Widerstand zwischen Komponenten erhöhen und/oder kann dabei helfen, die Wärmeübertragung von dem Leistungshalbleitermodul zu erhöhen. In dieser Formmasse kann der Kühlkanal vorgesehen sein. Die Wände des Kühlkanals können aus der Formmasse hergestellt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Hauptsubstrat eine Isolationsschicht zwischen der ersten Metallisierungsschicht und der zweiten Metallisierungsschicht. Diese kann eine Keramikschicht eines DBCs oder eine Kunststoffschicht einer PCB sein. Ein Kühlkanal kann zwischen dem ersten Halbleiterchip und der Isolationsschicht angeordnet sein, und/oder ein weiterer Kühlkanal kann zwischen dem zweiten Halbleiterchip und der Isolationsschicht angeordnet sein. Ein erster Kühlkanal kann zwischen dem ersten Halbleiterchip und der Isolationsschicht angeordnet sein, und ein zweiter Kühlkanal kann zwischen dem zweiten Halbleiterchip und der Isolationsschicht angeordnet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Hauptsubstrat mindestens zwei Isolationsschichten zwischen der ersten Metallisierungsschicht und der zweiten Metallisierungsschicht. Dies kann der Fall sein, wenn das Hauptsubstrat eine mehrschichtige PCB ist. Dann kann der mindestens eine Kühlkanal zwischen den mindestens zwei Isolationsschichten angeordnet sein. Es kann auch der Fall sein, dass das Hauptsubstrat drei oder mehr Isolationsschichten umfasst und dass Kühlkanäle zwischen verschiedenen Isolationsschichten des Hauptsubstrats angeordnet sind. Auf eine solche Weise ist es nicht erforderlich, das Material der Isolationsschichten zu entfernen, was die mechanische Stabilität des Leistungshalbleitermoduls erhöhen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein erstes Kühlelement an eine Rückseite des ersten Halbleiterchips gebondet, wobei sich diese Rückseite gegenüber einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden des ersten Halbleiterchips befindet. Analog dazu kann ein zweites Kühlelement an eine Rückseite des zweiten Halbleiterchips gebondet sein, wobei sich diese Rückseite gegenüber einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden des zweiten Halbleiterchips befindet.
  • Wie bereits erwähnt wurde, kann der Halbleiterchip alle seine Elektroden auf einer ersten Seite haben. Die zweite Seite oder Rückseite kann mit dem jeweiligen Kühlelement gekühlt werden. Solche Kühlelemente können Kühler aufweisen und/oder wassergekühlt und/oder luftgekühlt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedes von dem ersten Kühlelement und dem zweiten Kühlelement aus einem weiteren Substrat hergestellt, das zwei Metallisierungsschichten und eine Isolationsschicht dazwischen umfasst. Das weitere Substrat kann aus den gleichen Materialien wie das Hauptsubstrat, wie zum Beispiel oben beschrieben, hergestellt sein. Eine äußere Metallisierungsschicht, Kühlstifte und/oder Kühlrippen können befestigt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung basieren der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip auf einem Halbleiter mit großer Bandlücke. Das Die kann aus einem Material mit großer Bandlücke hergestellt sein. Zum Beispiel basieren der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip auf GaN (Galliumnitrid) oder SiC (Siliciumcarbid). Wie oben bereits erwähnt wurde, gestatten solche Chips höhere Schaltfrequenzen und/oder höhere Betriebsspannungen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stehen ein erster DC-Anschluss, der mit dem ersten DC-Bereich elektrisch verbunden ist, und ein zweiter DC-Anschluss, der mit dem zweiten DC-Bereich elektrisch verbunden ist, von einer zweiten kleinen Seite des Hauptsubstrats, die der ersten kleinen Seite gegenüberliegt, hervor. Insbesondere können der erste und zweite DC-Anschluss parallel zueinander und/oder parallel zu der Ebene des Hauptsubstrats ausgerichtet sein. Aus Blickrichtung auf die Ebene können sich die erste und zweite Elektrode überlappen. Dies kann auch die Größe von Induktionsschleifen reduzieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste DC-Anschluss aus einem Teil des ersten DC-Bereichs hergestellt, und der zweite DC-Anschluss ist aus einem Teil des zweiten DC-Bereichs hergestellt. Die erste und zweite Metallisierungsschicht können über die Zwischenisolationsschicht hervorstehen, und die Teile dieser Schichten, die über die Zwischenisolationsschicht hervorstehen, können die DC-Anschlüsse bereitstellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung steht ein AC-Anschluss, der mit dem ersten AC-Bereich und dem zweiten AC-Bereich elektrisch verbunden ist, von der ersten kleinen Seite des Hauptsubstrats hervor. Der AC-Anschluss kann aus Teilen der ersten und zweiten Metallisierungsschicht, die über die Zwischenisolationsschicht hervorstehen, hergestellt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen dem Hauptsubstrat und dem ersten Kühlelement erste Abstandshalter zum mechanischen Abstützen des ersten Kühlelements auf dem Hauptsubstrat angeordnet. Analog dazu sind zwischen dem Hauptsubstrat und dem zweiten Kühlelement zweite Abstandshalter zum mechanischen Abstützen des zweiten Kühlelements auf dem Hauptsubstrat angeordnet. Die Abstandshalter können auch zum direkten Kühlen der AC-Bereiche und DC-Bereiche, die auf dem Hauptsubstrat vorgesehen sind, verwendet werden. Auf solch eine Weise kann vermieden werden, dass die damit verbundenen DC- und AC-Anschlüsse, die zum elektrischen Verbinden der Leistungshalbleitermodule mit weiteren Vorrichtungen verwendet werden, zu heiß werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Abstandshalter an die erste Metallisierungsschicht des Hauptsubstrats und an eine Metallisierungsschicht des ersten Kühlelements gebondet. Analog dazu sind die zweiten Abstandshalter an die zweite Metallisierungsschicht des Hauptsubstrats und an eine Metallisierungsschicht des zweiten Kühlelements gebondet. Diese Bondprozesse können die gleichen sein und/oder gleichzeitig durchgeführt werden wie der Bondprozess zwischen dem Chip und dem Hauptsubstrat und zwischen Chip und Kühlelement.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, wie zum Beispiel vorstehend und nachfolgend beschrieben. Merkmale, Ausführungsformen und/oder Vorteile, die das obige Leistungshalbleitermodul betreffen, können auch Merkmale, Ausführungsformen bzw. Vorteile des Verfahrens zum Montieren des Leistungshalbleitermoduls betreffen, und umgekehrt.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren: Bonden des ersten Halbleiterchips an die erste Metallisierungsschicht und Bonden des zweiten Halbleiterchips an die zweite Metallisierungsschicht; und Formen des Hauptsubstrats, des ersten Halbleiterchips und des zweiten Halbleiterchips zumindest teilweise in einer Formmasse, derart, dass der mindestens eine Kühlkanal gebildet wird. Der mindestens eine Kühlkanal kann während und/oder nach dem Formen des Leistungshalbleitermoduls gebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner: vor dem Formen, Positionieren einer Schablone mit der Form des Kühlkanals in dem Hauptsubstrat. Diese Schablone kann eine Komponente sein, die die äußere Form des mindestens einen zu bildenden Kühlkanals aufweist, wie zum Beispiel ein rechteckiger Zylinder. Die Schablone kann zwischen den Halbleiterchips positioniert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner Entfernen der Schablone von dem Leistungshalbleitermodul nach dem Formen zum Bilden des mindestens einen Kühlkanals.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner: maschinelles Einarbeiten des mindestens einen Kühlkanals in die Formmasse nach dem Formen. Zum Beispiel kann der Kühlkanal in das Halbleitermodul, insbesondere in die Formmasse, gebohrt und/oder gefräst werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner Folgendes: Bereitstellen eines ersten Kühlelements mit dem an dem ersten Kühlelement befestigten ersten Halbleiterchip; und Bonden des ersten Halbleiterchips zusammen mit dem ersten Kühlelement an die erste Metallisierungsschicht. Das Verfahren kann ferner Folgendes umfassen: Bereitstellen eines zweiten Kühlelements mit dem an dem zweiten Kühlelement befestigten zweiten Halbleiterchip; und Bonden des zweiten Halbleiterchips zusammen mit dem zweiten Kühlelement an die zweite Metallisierungsschicht. In diesem Fall kann die Schablone in das Hauptsubstrat platziert werden, bevor das eine oder die beiden Kühlelemente an dem Hauptsubstrat befestigt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner Folgendes: Bonden des ersten Halbleiterchips an die erste Metallisierungsschicht und Bonden des zweiten Halbleiterchips an die zweite Metallisierungsschicht; und danach Befestigen eines ersten Kühlelements an den ersten Halbleiterchip und Befestigen eines zweiten Kühlelements an den zweiten Halbleiterchip.
  • Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und erläutert. Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die angehängten Figuren detaillierter beschrieben.
    • 1 zeigt ein Schaltschema eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • 5A, 5B und 5C zeigen schematische Querschnittsansichten eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während verschiedener Herstellungsschritte.
    • 6A, 6B und 6C zeigen schematische Querschnittsansichten eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung während verschiedener Herstellungsschritte.
  • Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammenfassender Form in der nachfolgenden Bezugszeichenliste aufgeführt. Grundsätzlich sind in den Figuren identische Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein Schaltschema eines Leistungshalbleitermoduls 10. Ein erster Halbleiterchip 12a und ein zweiter Halbleiterchip 12b sind zwischen einem DC+-Anschluss DC+ und einem DC-Anschluss DC- in Reihe geschaltet, um eine Halbbrücke zu bilden. Ein AC-Anschluss AC ist zwischen den Halbleiterchips 12a, 12b verbunden. Die Halbleiterchips 12a, 12b sind über ihre Leistungselektroden 14a, 14b miteinander, mit dem AC-Anschluss und mit dem DC+- und DC--Anschluss verbunden.
  • Der erste Halbleiterchip 12a und der zweite Halbleiterchip 12b können auf einem Halbleiter mit großer Bandlücke basieren, wie zum Beispiel GaN und SiC. Solche Halbleiterchips 12a, 12b mit großer Bandlücke bieten die Möglichkeit, das Leistungshalbeitermodul 10 mit höheren Spannungen und/oder höheren Schaltfrequenzen zu betreiben.
  • Jeder der Halbleiterchips 12a, 12b kann einen Leistungshalbleiterschalter, wie zum Beispiel einen Thyristor oder Transistor, bereitstellen. In diesem Fall umfasst jeder der Halbleiterchips 12a, 12b darüber hinaus eine Steuerelektrode 16a, 16b zum Schalten von Strom durch die jeweiligen Halbleiterchips 12a, 12b. Es ist auch möglich, dass die Halbleiterchips 12a, 12b Leistungsdioden sind.
  • 1 zeigt des Weiteren Induktivitäten 18a, 18b, die entweder durch zusätzliche Komponenten am Leistungshalbleitermodul 10 oder durch die elektrische Verbindung der Halbleiterchips 12a, 12b, wie zum Beispiel der AC-Bereiche (siehe unten), bereitgestellt werden können. Im letzteren Fall können die Induktivitäten 18a, 18b als Streuinduktivitäten betrachtet werden. Wenn das Leistungshalbeitermodul 10 wie in den folgenden Zeichnungen gezeigt ausgeführt ist, können auch diese Streuinduktivitäten 18a, 18b reduziert werden.
  • 2 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 10 mit einem Hauptsubstrat 20, das eine erste Metallisierungsschicht 22a und eine zweite Metallisierungsschicht 22b parallel zu der ersten Metallisierungsschicht 22a umfasst. Zum Beispiel kann das Hauptsubstrat 20 durch eine Leiterplatte oder durch ein DBC-Substrat (DBC, direct bonded copper) bereitgestellt werden. Es ist auch ein auf einem Leiterrahmen basierendes Hauptsubstrat möglich.
  • Das Hauptsubstrat 20 und insbesondere die Metallisierungsschichten 22a, 22b definieren eine Ebene, zu der alle der Schichten des Hauptsubstrats 20 und auch die unten erwähnten Schichten im Wesentlichen parallel verlaufen. Diese Ebene kann als eine Haupterstreckungsebene des Leistungshalbleitermoduls 10 betrachtet werden.
  • Die erste Metallisierungsschicht 22a ist dazu strukturiert, einen ersten DC-Bereich 24a und einen ersten AC-Bereich 26a bereitzustellen. Analog dazu ist die zweite Metallisierungsschicht 22b dazu strukturiert, einen zweiten DC-Bereich 24b und einen zweiten AC-Bereich 26b bereitzustellen. Die Bereiche 24a, 24b, 26a, 26b können als Leiterpfade und/oder -bahnen betrachtet werden, die einen Teil der elektrischen Schaltungsanordnung des Leistungshalbeitermoduls 10 bereitstellen.
  • Der erste Halbleiterchip 12a ist an die erste Metallisierungsschicht 22a gebondet, so dass die Leistungselektroden 14a des ersten Halbleiterchips 12a mit dem ersten DC-Bereich 24a und dem ersten AC-Bereich 26a elektrisch verbunden sind. Ferner ist der zweite Halbleiterchip 12b an die zweite Metallisierungsschicht 22b gebondet, so dass die Leistungselektroden 14b des zweiten Halbleiterchips 12b mit dem zweiten DC-Bereich 24b und dem zweiten AC-Bereich 26b elektrisch verbunden sind.
  • Der erste Halbleiterchip 12a und der zweite Halbleiterchip 12b können beide einen im Wesentlichen quaderförmigen Körper mit einer Höhe aufweisen, die wesentlich (wie zum Beispiel um mindestens das 5-Fache) kleiner als eine Breite und eine Länge ist. Die quaderförmigen Körper können parallel zu der durch das Hauptsubstrat 20 definierten Ebene ausgerichtet sein.
  • Wenn die Halbleiterchips 12a, 12b Steuerelektroden 16a, 16b aufweisen, können diese auf der gleichen Seite des Körpers der Halbleiterchips 12a, 12b vorgesehen sein. Die Metallisierungsschichten 22a, 22b können auch dazu strukturiert sein, weitere Bereiche bereitzustellen, die an die Steuerelektroden 16a, 16b gebondet sind und/oder die zum Leiten von Steuersignalen zu den Halbleiterchips 12a, 12b verwendet werden.
  • Der erste AC-Bereich 26a und der zweite AC-Bereich 26b sind auf einer ersten kleinen Seite 28 des Hauptsubstrats 20 miteinander verbunden. Kleine Seiten des Hauptsubstrats 20 können als die Seiten des Hauptsubstrats 20 definiert werden, die im Wesentlichen orthogonal zu der durch das Hauptsubstrat 20 definierten Ebene verlaufen. Der AC-Anschluss, der mit dem ersten AC-Bereich 26a und dem zweiten AC-Bereich 26b elektrisch verbunden ist, steht von der ersten kleinen Seite 28 des Hauptsubstrats 20 hervor.
  • Der DC+-Anschluss, der mit dem ersten DC-Bereich 24a elektrisch verbunden ist, und der DC-Anschluss, der mit dem zweiten DC-Bereich 24b elektrisch verbunden ist, stehen von einer zweiten kleinen Seite 30 des Hauptsubstrats 20 hervor. Die zweite kleine Seite 30 kann gegenüber der ersten kleinen Seite 28, wo der AC-Anschluss vorgesehen ist, angeordnet sein.
  • Der AC-Anschluss kann aus einem Teil des ersten AC-Bereichs 26a und/oder des zweiten AC-Bereichs 26b hergestellt sein. Ferner kann der DC+-Anschluss aus einem Teil des ersten DC-Bereichs 24a hergestellt sein, und der DC--Anschluss kann aus einem Teil des zweiten DC-Bereichs 24b hergestellt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der AC-Anschluss, der DC+-Anschluss und/oder der DC--Anschluss an diese Bereiche gebondet sind und/oder durch weitere elektrisch leitende Elemente, wie zum Beispiel Kupferstäbe, bereitgestellt werden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst einen Kühlkanal 32 zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b. Bei der Ausführungsform von 1 ist ein einziger Kühlkanal 32 vorhanden. Der Kühlkanal 32 weist eine rechteckige Form auf. Der Kühlkanal 32 ist zwischen dem ersten DC-Bereich 24a und dem ersten AC-Bereich 26a sowie zwischen dem zweiten DC-Bereich 24b und dem zweiten AC-Bereich 26b angeordnet. Der Kühlkanal 32 ist höher als der Abstand zwischen den Metallisierungsschichten 22a, 22b. Der Kühlkanal 32 ist in einem Überlappungsvolumen zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b angeordnet.
  • Das Hauptsubstrat 20 und andere Komponenten des Leistungshalbleitermoduls 10 sind in einer Formmasse 34 geformt. Der Kühlkanal 32 wird durch ein Volumen in dem Leistungshalbleitermodul 10 gebildet, das von der Formmasse umgeben ist. Die Formmasse 34 isoliert den Kühlkanal 32 elektrisch und kann auch dabei helfen, Wärme von den Halbleiterchips 12a, 12b zu dem Kühlkanal zu übertragen. Zum Beispiel kann die Formmasse eine Wärmeleitfähigkeit von 1W/mK bis 3 W/mK aufweisen.
  • Eine Isolationsmaterialschicht zwischen der ersten Metallisierungsschicht 22a und der zweiten Metallisierungsschicht 22b kann aus der Formmasse 34 hergestellt sein.
  • Der erste Halbleiterchip 12a und der zweite Halbleiterchip 12b sind bezüglich des Hauptsubstrats 20 einander gegenüber angeordnet. Mit anderen Worten sind sie auf verschiedenen Seiten des Hauptsubstrats 20 angeordnet, und bezüglich einer Blickrichtung auf das Hauptsubstrat 20 und/oder auf die durch das Hauptsubstrat 20 definierte Ebene überlappen sie sich im Wesentlichen. Der Kühlkanal ist dazwischen angeordnet.
  • 2 zeigt ferner Kühlelemente 36a, 36b des Leistungshalbleitermoduls 10, die wie die Halbleiterchips 12a, 12b bezüglich des Hauptsubstrats 20 gegenüber einander angeordnet sind.
  • Das erste Kühlelement 36a kann an eine Rückseite des ersten Halbleiterchips 12a gebondet sein, die einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden 14a des ersten Halbleiterchips 12a gegenüberliegt. Das zweite Kühlelement 36b kann an eine Rückseite des zweiten Halbleiterchips 12b gebondet sein, die einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden 14b des zweiten Halbleiterchips 12b gegenüberliegt.
  • Die Kühlelemente 36a, 36b können eine beliebige Art von Kühlelementen sein und/oder können auf Luft- und Wasserkühlung basieren. Ferner kann eine aktive und passive Kühlung möglich sein. Das gleiche Kühlfluid kann verwendet werden, während es durch den Kühlkanal 32 geleitet wird.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist jedes von dem ersten Kühlelement 36a und dem zweiten Kühlelement 36b aus einem weiteren Substrat 38a, 38b, das zwei Metallisierungsschichten 40a, 40b und eine Isolationsschicht 42 dazwischen umfasst, hergestellt. Die Metallisierungsschicht 40b kann, wie gezeigt, mit Kühlrippen versehen sein.
  • Das erste Kühlelement 36a und das zweite Kühlelement 36b und/oder das weitere Substrat 38a und das weitere Substrat 38b können teilweise in der Formmasse 34 eingebettet sein.
  • Zum Erhöhen der mechanischen Stabilität und weiteren Verbessern der Kühlleistung des Leistungshalbeitermoduls 10 sind Abstandshalter 44a, 44b vorgesehen, die zwischen dem Hauptsubstrat 20 und den Kühlelementen 36a, 36b angeordnet sind. Jeder der Abstandshalter 44a, 44b kann ein Stift oder ein Stab sein, der mit dem Hauptsubstrat 20 und mit den Kühlelementen 36a, 36b in Kontakt ist. Die Abstandshalter 44a, 44b können aus einem elektrisch isolierenden Material mit guten Wärmeleiteigenschaften hergestellt sein. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit der Abstandshalter 44a, 44b höher als die der Halbleiterchips 12a, 12b sein.
  • Erste Abstandshalter 44a sind zwischen dem Hauptsubstrat 20 und dem ersten Kühlelement 36a angeordnet, um zum Beispiel das erste Kühlelement 36a auf dem Hauptsubstrat 20 mechanisch abzustützen. Zweite Abstandshalter 44b sind zwischen dem Hauptsubstrat 20 und dem zweiten Kühlelement 36b angeordnet, um zum Beispiel das zweite Kühlelement 36b auf dem Hauptsubstrat 20 mechanisch abzustützen.
  • Als ein Beispiel sind einige oder alle erste Abstandshalter 44a an die erste Metallisierungsschicht 22a des Hauptsubstrats 20 und an die Metallisierungsschicht 40a des ersten Kühlelements 36a gebondet. Es kann auch der Fall sein, dass einige oder alle der ersten Abstandshalter 44a an die Isolationsschicht 42 des ersten Kühlelements 36a gebondet und/oder damit verbunden sind. Des Weiteren sind einige oder alle der zweiten Abstandshalter 44b an die zweite Metallisierungsschicht 22b des Hauptsubstrats 20 und an die Metallisierungsschicht 40a des zweiten Kühlelements 36b gebondet. Es kann auch der Fall sein, dass einige oder alle der zweiten Abstandshalter 44b an die Isolationsschicht 42 des zweiten Kühlelements 36b gebondet und/oder damit verbunden sind.
  • Einige oder alle der Abstandshalter 44a, 44b Können vollständig oder teilweise in der Formmasse 34 eingebettet sein. Wie in 2 gezeigt ist, sind alle Abstandshalter 44a, 44b vollständig in der Formmasse 34 eingebettet.
  • 3 und 4 zeigen schematisch einen Kühlfluidstrom 46a, 46b, 46c durch das und entlang dem Leistungshalbleitermodul 10.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht orthogonal zu der in 2. In 3 sind die Komponenten des Hauptsubstrats 20 in zwei Blöcke mit dem Kühlkanal 32 dazwischen zusammengefasst worden.
  • Zwei Kühlfluidströme 46a, 46c passieren entlang den oder durch die Kühlelemente(n) 36a, 36b. Zum Beispiel kann das Kühlfluid Luft sein und durch Rippen passieren, wie zum Beispiel in 3 gezeigt ist. Es sind jedoch auch andere Arten von Kühlelementen 36a, 36b möglich, zum Beispiel mit Kanälen, durch die das Kühlfluid strömt. In diesem Fall ist auch Flüssigkeitskühlung, d. h. Flüssigkeit als ein Kühlfluid, möglich.
  • Ein weiteres Kühlfluid 46b passiert durch den Kühlkanal 32. Hier ist wieder Flüssigkeitskühlung, d. h. Flüssigkeit als ein Kühlfluid, möglich. Des Weiteren kann es Flüssigkeitskühlung in dem Kühlkanal 32 geben, d. h., ein Kühlfluid kann durch den Kühlkanal strömen, und Luft- und/oder Gaskühlung hinsichtlich der Kühlelemente 36a, 36b geben.
  • Zusammengefasst, das Leistungshalbleitermodul 10 wird von zwei Seiten und aus seinem Inneren gekühlt. Da der Kühlkanal 32 die Halbleiterchips 12a, 12b direkt passiert, werden diese effizient gekühlt.
  • 5A bis 5C zeigen schematische Querschnittsansichten eines Leistungshalbleitermoduls 10 während Schritten in einem Herstellungsprozess des Leistungshalbleitermoduls 10.
  • 5A zeigt drei Teile des Leistungshalbeitermoduls 10, die zu Beginn bereitgestellt werden, das Hauptsubstrat 20 und zwei weitere Substrate 38a, 38b für die Kühlelemente 36a, 36b.
  • Das Hauptsubstrat 20 ist eine PCB mit zwei Metallisierungsschichten 22a, 22b und einer Isolationsschicht 48 dazwischen. Die weiteren Substrate 38a, 38b können auch eine PCB sein.
  • Vor der Montage der drei Teile werden die Abstandshalter 44a und der erste Halbleiterchip 12a an dem ersten Kühlelement 36a und/oder dem ersten Substrat 38a befestigt. Analog dazu werden die Abstandshalter 44b und der zweite Halbleiterchip 12b an dem zweiten Kühlelement 36b und/oder dem zweiten Substrat 38b befestigt.
  • Somit werden zu Beginn der Herstellung das Hauptsubstrat 20, das erste Kühlelement 36a mit dem an dem ersten Kühlelement 36a befestigten ersten Halbleiterchip 12a und das zweite Kühlelement 36b mit dem an dem zweiten Kühlelement 36b befestigten zweiten Halbleiterchip 12b getrennt voneinander bereitgestellt.
  • 5B zeigt das Leistungshalbleitermodul 10 nach der Montage der drei Teile. Der erste Halbleiterchip 12a wird zusammen mit dem ersten Kühlelement 36a an die erste Metallisierungsschicht 22a gebondet. Die Abstandshalter 44a können auch gleichzeitig an die/der erste(n) Metallisierungsschicht 22a gebondet und/oder befestigt werden. Der zweite Halbleiterchip 12b wird zusammen mit dem zweiten Kühlelement 36b an die zweite Metallisierungsschicht 22b gebondet. Die Abstandshalter 44b können auch gleichzeitig an die/der zweite(n) Metallisierungsschicht 22b gebondet und/oder befestigt werden.
  • Vor oder nach diesem Befestigungs- und/oder Bonding-Schritt, wird eine Schablone 50 mit der Form des Kühlkanals 32 in das Hauptsubstrat 20 positioniert. Es kann eine Schablone 50 für jeden Kühlkanal 32 geben. Solch eine Schablone 50 kann im Wesentlichen eine Quaderform und/oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Sie kann so gebildet sein, dass sie aus dem Leistungshalbleitermodul 10 entfernt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass sie nach dem Aushärten der Formmasse geschmolzen und auf diese Weise entfernt wird.
  • 5C zeigt das Leistungshalbeitermodul 10 nach dem Formen. Das Hauptsubstrat 20 und die weiteren Substrate 38a, 38b sind teilweise in einer Formmasse 34 geformt worden. Des Weiteren ist nach dem Formen zum Bilden des mindestens einen Kühlkanals 32 die mindestens eine Schablone 50 (hier zwei) von dem Leistungshalbleitermodul 10 entfernt worden.
  • Zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b sind zwei Kühlkanäle 32a, 32b angeordnet und sind in einem Überlappungsvolumen zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b angeordnet. Aus der orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats 20 verlaufenden Blickrichtung sind die Kühlkanäle 32a, 32b voneinander beabstandet. Die Kühlkanäle 32a, 32b sind in der Formmasse 34 gebildet, in der das Leistungshalbeitermodul 10 zumindest teilweise geformt ist. Die Wände der Kühlkanäle 32a, 32b werden durch die Formmasse 34 bereitgestellt.
  • Der Kühlkanal 32a ist zwischen dem ersten DC-Bereich 24a, dem ersten AC-Bereich 26a, der Isolationsschicht 48 und dem ersten Halbleiterchip 12a angeordnet. Der Kühlkanal 32b ist zwischen dem zweiten DC-Bereich 24b, dem zweiten AC-Bereich 26b, der Isolationsschicht 48 und dem zweiten Halbleiterchip 12b angeordnet.
  • 6A bis 6C zeigen schematische Querschnittsansichten einer weiteren Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls 10 während Schritten in einem Herstellungsprozess des Leistungshalbleitermoduls 10.
  • 6A zeigt drei Teile des Leistungshalbeitermoduls 10, die zu Beginn bereitgestellt werden, das Hauptsubstrat 20 und zwei weitere Substrate 38a, 38b für die Kühlelemente 36a, 36b.
  • Das Hauptsubstrat 20 ist eine mehrschichtige PCB mit mehr als zwei (hier vier) Metallisierungsschichten 22a, 22b, 22c, 22d und mehr als einer (hier drei) Isolationsschichten 48, 48a, 48b dazwischen.
  • Vor der Montage der drei Teile werden die Abstandshalter 44a und der erste Halbleiterchip 12a sowie die Abstandshalter 44b und der zweite Halbleiterchip 12b an dem Hauptsubstrat 20, insbesondere an den äußeren Metallisierungsschichten 22a, 22b, befestigt. Der erste Halbleiterchip 12a und/oder die Abstandshalter 44a können an die erste Metallisierungsschicht 22a gebondet werden. Der zweite Halbleiterchip 12b und/oder die Abstandshalter 44b können an die zweite Metallisierungsschicht 22b gebondet werden.
  • 6B zeigt das Leistungshalbleitermodul 10 nach der Montage der drei Teile. Das erste Kühlelement 36a wird an dem/den ersten Halbleiterchip 12a und wahlweise den/die Abstandshaltern 44a befestigt oder gebondet. Danach oder gleichzeitig wird das zweite Kühlelement 36b an dem/den zweiten Halbleiterchip 12b und wahlweise den/die Abstandshalter(n) 44b befestigt oder gebondet.
  • Des Weiteren werden nach der Montage das Hauptsubstrat 20, der erste Halbleiterchip 12a und der zweite Halbleiterchip 12b zumindest teilweise in einer Formmasse 34 geformt. Ferner wird der Raum, in dem Kühlkanäle später gebildet werden, mit Formmasse 34 aufgefüllt.
  • 6C zeigt das Leistungshalbleitermodul 10 nach dem Bilden der Kühlkanäle 32c, 32d. Der mindestens eine Kühlkanal 32, 32c, 32d ist nach dem Formen, zum Beispiel durch Bohren und/oder Fräsen, in die Formmasse 34 eingearbeitet worden.
  • Die beiden Kühlkanäle 32c, 32d sind zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b angeordnet und sind in einem Überlappungsvolumen zwischen dem ersten Halbleiterchip 12a und dem zweiten Halbleiterchip 12b angeordnet. Aus einer orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats 20 verlaufenden Blickrichtung überlappen sich die Kühlkanäle 32c, 32d und/oder sind miteinander gestapelt. Die Kühlkanäle 32c, 32d sind in der Formmasse 34 gebildet, in der das Leistungshalbeitermodul 10 zumindest teilweise geformt ist. Die Wände der Kühlkanäle 32a, 32b werden durch die Formmasse 34 bereitgestellt.
  • Der Kühlkanal 32c ist zwischen dem ersten DC-Bereich 24a, dem ersten AC-Bereich 26a, der inneren Isolationsschicht 48 und der ersten äußeren Isolationsschicht 48a angeordnet. Der Kühlkanal 32b ist zwischen dem zweiten DC-Bereich 24b, dem zweiten AC-Bereich 26b, der Isolationsschicht 48 und der zweiten äußeren Isolationsschicht 48b angeordnet.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Metallisierungsschichten 22a, 22b des Hauptsubstrats 20 und/oder die Metallisierungsschichten 40a, 40b der Substrate 38a, 38b der Kühlelemente 36a, 36b eine Dicke von etwa 0,3 mm bis 3 mm aufweisen können. Die Höhe der einen oder mehreren Kühlkanäle 32 kann zwischen 0,3 mm bis 3 mm betragen. Die Höhe kann die Erstreckung des jeweiligen Kühlmittelkanals in einer orthogonal zu der Erstreckungsebene des Hauptsubstrats 20 verlaufenden Richtung sein.
  • Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die in 5A bis 5C und 6A und 6C gezeigten Herstellungsverfahren auf alle hierin beschriebenen Leistungshalbleitermodule 10 angewandt werden können, insbesondere auf das in 2, 5C und 6C gezeigte Leistungshalbleitermodul 10. Des Weiteren kann das Hauptsubstrat von 2 zum Beispiel wie in 5C oder 6C ausgeführt sein, und umgekehrt. Es kann auch eine Schablone 50 für das in 2 und 6C gezeigte Leistungshalbleitermodul 10 verwendet werden. Alternativ kann der Kühlkanal 32 in 2 und 5C maschinell eingearbeitet werden.
  • Obgleich die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben worden ist, sind solch eine Darstellung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können durch den Fachmann durch die Ausübung der beanspruchten Erfindung, genaue Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen/umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein/eine/einer“ schließt keinen Plural aus. Ein einziger Prozessor oder eine einzige Steuerung oder eine einzige andere Einheit können die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angeführter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in verschiedenen voneinander abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil genutzt werden kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Schutzumfang einschränkend ausgelegt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungshalbleitermodul
    12a
    erster Halbleiterchip
    12b
    zweiter Halbleiterchip
    DC+
    DC+-Anschluss
    DC-
    DC--Anschluss
    AC
    AC-Anschluss
    14a
    Leistungselektrode
    14b
    Leistungselektrode
    16a
    Steuerelektrode
    16b
    Steuerelektrode
    18a
    Induktivität
    18b
    Induktivität
    20
    Hauptsubstrat
    22a
    erste Metallisierungsschicht
    22b
    zweite Metallisierungsschicht
    22c
    Metallisierungsschicht
    22d
    Metallisierungsschicht
    24a
    erster DC-Bereich
    24b
    zweiter DC-Bereich
    26a
    erster AC-Bereich
    26b
    zweiter AC-Bereich
    28
    erste kleine Seite
    30
    zweite kleine Seite
    32
    Kühlkanal
    34
    Formmasse
    36a
    erstes Kühlelement
    36b
    zweites Kühlelement
    38a
    weiteres Substrat
    38b
    weiteres Substrat
    40a
    Metallisierungsschicht
    40b
    Metallisierungsschicht
    42
    Isolationsschicht
    44a
    Abstandshalter
    44b
    Abstandshalter
    46a
    erster äußerer Kühlfluidstrom
    46b
    innerer Kühlfluidstrom
    46c
    zweiter äußerer Kühlfluidstrom
    48
    Isolationsschicht
    48a
    Isolationsschicht
    48b
    Isolationsschicht
    50
    Schablone

Claims (19)

  1. Leistungshalbleitermodul (10), umfassend: ein Hauptsubstrat (20), das eine erste Metallisierungsschicht (22a) und eine zweite Metallisierungsschicht (22b), die parallel zu der ersten Metallisierungsschicht (22a) verläuft, umfasst; einen ersten Halbleiterchip (12a), der auf der ersten Metallisierungsschicht (22a) angeordnet ist; einen zweiten Halbleiterchip (12b), der auf der zweiten Metallisierungsschicht (22b) angeordnet ist; wobei die erste Metallisierungsschicht (22a) dazu strukturiert ist, einen ersten DC-Bereich (24a) und einen ersten AC-Bereich (26a) bereitzustellen; wobei der erste Halbleiterchip (12a) an die erste Metallisierungsschicht (22a) gebondet ist, so dass Leistungselektroden (14a) des ersten Halbleiterchips (12a) mit dem ersten DC-Bereich (24a) und dem ersten AC-Bereich (26a) elektrisch verbunden sind; wobei die zweite Metallisierungsschicht (22b) dazu strukturiert ist, einen zweiten DC-Bereich (24b) und einen zweiten AC-Bereich (26b) bereitzustellen; wobei der zweite Halbleiterchip (12b) an die zweite Metallisierungsschicht (22b) gebondet ist, so dass Leistungselektroden (14b) des zweiten Halbleiterchips (12b) mit dem zweiten DC-Bereich (24b) und dem zweiten AC-Bereich (26b) elektrisch verbunden sind; wobei das Leistungshalbleitermodul (10) mindestens einen Kühlkanal (32) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und dem zweiten Halbleiterchip (12b) umfasst.
  2. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Kühlkanal (32) zwischen dem ersten DC-Bereich (24a) und dem ersten AC-Bereich (26a) und/oder zwischen dem zweiten DC-Bereich (24b) und dem zweiten AC-Bereich (26b) angeordnet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kühlkanal (32) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und dem zweiten Halbleiterchip (12b) angeordnet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Kühlkanäle (32) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und dem zweiten Halbleiterchip (12b) angeordnet sind.
  5. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 4, wobei sich die Kühlkanäle (32c, 32d) aus einer Blickrichtung orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats (20) überlappen; oder wobei die Kühlkanäle (32a, 32b) aus der Blickrichtung orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats (20) voneinander beabstandet sind.
  6. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der erste Halbleiterchip (12a) und der zweite Halbleiterchip (12b) aus einer Blickrichtung orthogonal zu einer Erstreckungsebene des Hauptsubstrats (20) überlappen; wobei der mindestens eine Kühlkanal (32) in einem Überlappungsvolumen zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und dem zweiten Halbleiterchip (12b) angeordnet ist.
  7. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Kühlkanal (32) in einer Formmasse (34), in der das Leistungshalbleitermodul (10) zumindest teilweise geformt ist, gebildet ist.
  8. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptsubstrat (20) eine Isolationsschicht (48) zwischen der ersten Metallisierungsschicht (22a) und der zweiten Metallisierungsschicht (22b) umfasst; wobei ein Kühlkanal (32) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) oder dem zweiten Halbleiterchip (12b) und der Isolationsschicht (48) angeordnet ist.
  9. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 8, wobei ein erster Kühlkanal (32a, 32c) zwischen dem ersten Halbleiterchip (12a) und der Isolationsschicht (48) angeordnet ist und ein zweiter Kühlkanal (32b, 32d) zwischen dem zweiten Halbleiterchip (12b) und der Isolationsschicht (48) angeordnet ist.
  10. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptsubstrat (20) mindestens zwei Isolationsschichten (48) zwischen der ersten Metallisierungsschicht (22a) und der zweiten Metallisierungsschicht (22b) umfasst; wobei der mindestens eine Kühlkanal (32c, 32d) zwischen den mindestens zwei Isolationsschichten (48) angeordnet ist.
  11. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Kühlelement (36a) an eine Rückseite des ersten Halbleiterchips (12a) gebondet ist, die sich gegenüber einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden (14a) des ersten Halbleiterchips (12a) befindet; wobei ein zweites Kühlelement (36b) an eine Rückseite des zweiten Halbleiterchips (12b) gebondet ist, wobei sich diese Rückseite gegenüber einer Leistungselektrodenseite mit den Leistungselektroden (14b) des zweiten Halbleiterchips (12b) befindet.
  12. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 6, wobei jedes von dem ersten Kühlelement (36a) und dem zweiten Kühlelement (36b) aus einem weiteren Substrat (38a, 38b) hergestellt ist, das zwei Metallisierungsschichten (40a, 40b) und eine Isolationsschicht (42) dazwischen umfasst.
  13. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hauptsubstrat (20) durch eine Leiterplatte bereitgestellt wird; oder wobei das Hauptsubstrat (20) durch ein direkt gebondetes Kupfersubstrat bereitgestellt wird; oder wobei das Hauptsubstrat (20) durch einen Leiterrahmen bereitgestellt wird.
  14. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip (12a) und der zweite Halbleiterchip (12b) auf einem Halbleiter mit großer Bandlücke basieren; und/oder wobei der erste Halbleiterchip (12a) und der zweite Halbleiterchip (12b) auf GaN oder SiC basieren.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bonden des ersten Halbleiterchips (12a) an die erste Metallisierungsschicht (22a) des Hauptsubstrats (20) und Bonden des zweiten Halbleiterchips (12b) an die zweite Metallisierungsschicht (22b) des Hauptsubstrats (20); Formen des Hauptsubstrats (20), des ersten Halbleiterchips (12a) und des zweiten Halbleiterchips (12b) zumindest teilweise in einer Formmasse (34), derart, dass der mindestens eine Kühlkanal (32) gebildet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: vor dem Formen, Positionieren einer Schablone (50) mit der Form des Kühlkanals (32) in dem Hauptsubstrat (20); Entfernen der Schablone (50) von dem Leistungshalbleitermodul (10) nach dem Formen zum Bilden des mindestens einen Kühlkanals (32).
  17. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: maschinelles Einarbeiten des mindestens einen Kühlkanals (32) in die Formmasse (34) nach dem Formen.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend: Bereitstellen eines ersten Kühlelements (36a) mit dem an dem ersten Kühlelement (36a) befestigten ersten Halbleiterchip (12a); Bonden des ersten Halbleiterchips (12a) zusammen mit dem ersten Kühlelement (36a) an die erste Metallisierungsschicht (22a); Bereitstellen eines zweiten Kühlelements (36b) mit dem an dem zweiten Kühlelement (36b) befestigten zweiten Halbleiterchip (12b); Bonden des zweiten Halbleiterchips (12b) zusammen mit dem zweiten Kühlelement (36b) an die zweite Metallisierungsschicht (22b).
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner umfassend: Bonden des ersten Halbleiterchips (12a) an die erste Metallisierungsschicht (22a) und Bonden des zweiten Halbleiterchips (12b) an die zweite Metallisierungsschicht (22b); danach Befestigen eines ersten Kühlelements (36a) an den ersten Halbleiterchip (12a) und Befestigen eines zweiten Kühlelements (36b) an den zweiten Halbleiterchip (12b).
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