DE10249854B4 - Leistungshalbleiter-Baugruppe - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiter-Baugruppe mit mindestens einem Leistungshalbleiter (9) und mit einer Montageschicht (1), wobei die Montageschicht (1) zur internen und/oder externen Kontaktierung des Leistungshalbleiters (9) mehrere von einander isolierte, parallel verlaufende Leitungsbereiche (2) aufweist, die sich jeweils innerhalb der Montageschicht (1) sowohl in einer Richtung (X) der Montageschichtebene hindurch als auch durch die Montageschichtdicke (Z) hindurch erstrecken.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verschaltung oder Kontaktierung von Leistungshalbleitern oder Leistungshalbleiterbauelementen wie beispielsweise IGBTs oder Leistungsdioden und betrifft eine Leistungshalbleiter-Baugruppe mit mindestens einem Leistungshalbleiter.
  • Derartige Baugruppen mit einer Vielzahl von Leistungshalbleitern finden beispielsweise Anwendung bei der frequenzgeregelten Ansteuerung von Drehstrommotoren mittels Pulsbreitenmodulation. Bei solchen Anordnungen ist es üblich, die Leistungshalbleiter untereinander oder mit Leiterbahnen auf einer Leiterplatte über Bonddrähte elektrisch zu verbinden.
  • Mit zunehmender Leistungsanforderung der zu regelnden oder zu steuernden elektrischen Einrichtungen und der gestiegenen Leistungsfähigkeit von Leistungshalbleitern steigen auch die Stromdichten, für die diese elektrischen Verbindungen ausgelegt sein müssen. Diesen Anforderungen werden klassische Verbindungstechniken, wie z.B. das bekannte Drahtbonden, nicht oder nur unter erheblichem Aufwand gerecht. So kann es bei hohen Stromdichten erforderlich werden, mehrere parallele Bonddrähte vorzusehen, was den Fertigungsaufwand und den Raumbedarf so aufgebauter Baugruppen erheblich erhöht. Dies wird zunehmend problematischer, wenn Leistungshalbleiter in mehreren Ebenen übereinander montiert und verschaltet werden sollen. Der optimalen Nutzung hochentwickelter (Silizium-) Halbleiterbauelemente sind dadurch also Grenzen gesetzt.
  • Aus der DE 195 09 202 A1 ist eine Baugruppe mit einer Montageschicht bekannt, die zur internen und/oder externen Kontaktierung von Halbleitern mehrere von einander isolierte, parallel verlaufende Leitungsbereiche aufweist. Die Leitungsbereiche erstrecken sich dabei eine kurze Distanz in eine Richtung der Montageebene und durch die Montageschichtdicke, hindurch. Aus der DE 100 19 483 A1 ist eine Baugruppe bekannt, bei der auf der Oberseite und der Unterseite der Montageschicht Halbleiter durch Leitungsbereiche, sogenannte Durchkontaktierungen, elektrisch verbunden sind. Auch hier erstrecken sich die Durchkontaktierungen nur eine kurze Distanz in eine Richtung der Montageebene und durch die Montageschichtdicke hindurch.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiter-Baugruppe zu schaffen, die eine kostengünstige, universelle und flexible Montage und elektrische Kontaktierung bei geringem Aufwand erlaubt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiter-Baugruppe gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Diese Aufgabe wird im Einzelnen gelöst durch eine Leistungshalbleiter-Baugruppe mit mindestens einem Leistungshalbleiter und mit einer Montageschicht, wobei die Montageschicht zur internen und/oder externen Kontaktierung des Leistungshalbleiters mehrere von einander isolierte, parallel verlaufende Leitungsbereiche aufweist, die sich jeweils innerhalb der Montageschicht sowohl in einer Richtung der Montageschichtebene hindurch als auch durch die Montageschichtdicke hindurch erstrecken.
  • Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Baugruppe ist also ein schichtförmiger Träger (Kontaktierungsschicht), der von mehreren leitenden Bereichen (Leitungsbereiche genannt) durchzogen ist. Diese Leitungsbereiche verlaufen jeweils innerhalb der Schicht in zwei vorzugsweise senkrechten Dimensionen und erzeugen somit anisotrope Leitungseigenschaften der Montageschicht. Die Montageschicht leitet damit Ströme sowohl durch die Schicht hindurch als auch in einer – vorzugsweise dazu senkrechten – Richtung in Schichtebene.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Montageschicht mit ihrem anisotropen Leitungsverhalten je nach den speziellen Erfordernissen beschaltet und bestückt werden kann. Die Montageschicht ist universell verwendbar, also mit ihrer Struktur der Leitungsbereiche nicht auf spezielle Anwendungen oder Bestückungen festgelegt. Dadurch vereinfacht sich sowohl die Handhabung und Fertigung als auch die Lagerhaltung, insbesondere bei der Herstellung von Varianten, was letztlich zu einer erheblichen Kostenersparnis führt. Die Montageschicht kann durch einfache Beschichtungsverfahren verwendungsspezifisch konditioniert werden, indem beispielsweise mittels Siebdruck an vorbestimmte Stellen auf der Oberseite und/oder Unterseite der Montageschicht Lotflecken oder Lötstellen aufgebracht werden.
  • Die Leitungsbereiche durchdringen die Montageschicht bevorzugt derart, dass sie an jedem für die Halbleiterbauelementmontage und/oder einen externen Anschluss vorgesehenen Bereich sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite zugänglich (d.h. kontaktierbar) sind.
  • Vorteilhafterweise können auf einer gemeinsamen Montageschicht mehrere Halbleiterbauelemente einfach parallel geschaltet werden. Die kontakterzeugende Verbindung der Halbleiterbauelemente mit der Montageschicht kann vorteilhafterweise auf jeder Schichtseite gleichzeitig erfolgen.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Montageschicht aus alternierend angeordneten elektrisch leitenden Bahnen, vorzugsweise Kupferlamellen, als Leitungsbereiche und isolierenden Streifen gebildet ist. Ein solcher Aufbau der Montageschicht ist fertigungstechnisch einfach realisierbar. Besonders kostengünstig ist es gemäß einer weiteren fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Montageschicht von alternierend angeordne ten metallischen Leitern und isolierenden Keramikstreifen gebildet ist.
  • Je nach Geometrie der Leitungsbereiche und der korrespondierenden Anschlüsse (z.B. Anschlussflächen oder „Pads") der Halbleiterbauelemente können auf einfache Weise eine Vielzahl von leitenden Bereichen kontaktiert und so parallel zur Strombeaufschlagung genutzt werden. Damit lassen sich mit einfachen Mitteln auch hohe Stromdichten handhaben und den Halbleiterbauelementen hohe Ströme zuführen bzw. von diesen abführen.
  • Eine weitere fertigungstechnische Vereinfachung sieht erfindungsgemäß vor, dass die Leitungsbereiche aus lötbarem Material bestehen. In diesem Fall können die kontakterzeugenden Verlötungen der Halbleiterbauelemente vorteilhafterweise auf einer Schichtseite gleichzeitig erfolgen.
  • Eine weitere fertigungstechnische Vereinfachung sieht erfindungsgemäß vor, dass ein oder mehrere Anschlüsse des Leistungshalbleiters durch Diffusionslöten mit mindestens einem Leitungsbereich verbunden ist/sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass bereits gebildete Lötstellen durch nachfolgende Lötvorgänge nicht beeinträchtigt werden, insbesondere keine unerwünschte nachträgliche Wiedererweichung von Lötstellen mit der Gefahr unkontrollierter Veränderungen der räumlichen Anordnung auftritt.
  • Bei einer konstruktiv besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist vorgesehen, dass auf der Oberseite und der Unterseite der Montageschicht angeordnete Leistungshalbleiter durch einen Leitungsbereich elektrisch verbunden sind.
  • Eine im Betrieb besonders robuste und zuverlässige Anordnung wird dadurch schaffen, daß bei der die Montageschicht temperaturspannungskompensierte Leitungsbereiche aufweist.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: schematisch eine erfindungsgemäße Baugruppe nach einem ersten Fertigungsabschnitt,
  • 2: die Baugruppe gemäß 1 im Querschnitt,
  • 3: die in 1 gezeigte Baugruppe nach einem weiteren Fertigungsabschnitt und
  • 4: eine fertiggestellte erfindungsgemäße Baugruppe.
  • Die 1 und 2 zeigen eine Leistungshalbleiter-Baugruppe in einem Fertigungsstadium, bei dem die untere, üblicherweise hochspannungsseitige Lage von Halbleiterbauelementen auf eine erste, unterste Montageschicht 1 aufgelötet ist. Die Montageschicht 1 weist alternierend angeordnete leitenden Bereiche 2 (nachfolgend auch Leitungsbereiche genannt) und isolierende Bereiche 3 auf.
  • Die temperaturkompensierte Montageschicht hat eine relativ große Dicke D, um geringe spezifische elektrische Widerstände in ihren Leitungsbereichen 2 zu gewährleisten. Die Leitungsbereiche bestehen aus Kupferlamellen, die parallel zueinander verlaufen und durch jeweils dazwischenliegende, isolierende Keramikstreifen 3 von einander elektrisch getrennt sind. Die isolierenden Bereiche können auch aus Kunststoffen gebildet sein.
  • Die Montageschicht ist durch diese Materialwahl vorteilhafterweise plastisch so verformbar, dass sie in ihrem Randbereich 5 umbiegbar ist. Dies ermöglicht einen besonders gut zugänglichen, platzsparenden Anschluss (z.B. des Versorgungspotentials) von außen, also zur externen Kontaktierung der Baugruppe. Die externen Anschlüsse liegen bei den parallel verlaufenden Kupferbahnen auf derselben Linie wie die zu kontaktierenden Anschlüsse der Leistungshalbleiter.
  • Die Montageschicht weist durch ihren Aufbau ein anisotropes Leitungsverhalten auf. In Richtung Z der Dicke D (Z-Achse) und in einer Richtung X (X-Achse) in der Ebene der Montageschicht (nachfolgend auch Schichtebene genannt) ist eine gute Stromleitung gewährleistet, während in allen zur X-Richtung verschiedenen Richtungen in der Schichtebene keine Leitfähigkeit vorliegt, die Montageschicht also isolierende Eigenschaften hat. Vorzugsweise liegen die Richtungen der X-Achse und der Z-Achse senkrecht zu einander.
  • Beispielhaft zeigt 1 eine Freilaufdiode 8 und einen IGBT 9. Je nach Anforderung der zu steuernden Ströme können weitere. (beispielhaft zeigt 1 eine weitere Freilaufdiode 8a und einen weiteren IGBT 9a) Freilaufdioden und IGBTs zur Freilaufdiode 8 und zum IGBT 9 parallel geschaltet werden. Außerdem können weitere Zweige, z.B. zur Beaufschlagung eines nicht dargestellten Elektromotors, mit weiteren IGBTs (z.B. 10) gesteuert werden. Letzterer IGBT 10 ist von der ersten Anordnung von Halbleiterbauelementen 8, 8a und 9, 9a isoliert angeordnet und mit weiteren zu den ersten Leitungsbereichen 2 isolierten Leitungsbereichen 2a verbunden. Zur besseren Darstellung ist in 1 jeweils der Fotoimid-Rand 12 der Halbleiterbauelemente gezeigt.
  • In 2 ist im Detail eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie II-II in 1 dargestellt.
  • Im Randbereich 5 sind Anschlussflecken 14 dargestellt, die zur externen Kontaktierung dienen. Sowohl diese Anschlussflecken 14 als auch Lot- oder Anschlussflecken, auf die die Halbleiterbauelemente 8, 8a; 9, 9a; 12 aufgelötet sind, können durch einfache Siebdrucktechnik auf die Montageschicht 1 aufgebracht sein. Dabei überdeckt ein Anschlussfleck jeweils mehrere parallele Leitungsbereiche, wenn die zu leitenden Stromdichten eine entsprechende Dimensionierung der Zu- bzw. Ableitungen erfordern. Dies ist schematisch in 1 mit dem Anschlussfleck 16 angedeutet; ein korrespondierender Anschlussfleck für einen Anschluss eines Leistungshalbleiters kann entsprechend sich über dieselben mehreren Leitungsbereiche erstrecken und so über mehrere parallele Leitungsbereiche strombeaufschlagt werden.
  • 3 zeigt die Baugruppe, nachdem eine zweite Montageschicht 20 montiert ist. Diese Montageschicht 20 ist an Lötstellen aufgelötet, die durch gestrichelte Kreise angedeutet sind und die tatsächlich auf der nicht sichtbaren Unterseite der zweiten Montageschicht ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel sind mit den Lötstellen die jeweiligen Source-Anschlüsse und Gate-Anschlüsse 26 der IGBTs und die Anoden der Dioden verbunden.
  • 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung der Erfindung bei einer Steuerung eines nicht dargestellten Motors. Mit den Anschlussstellen 36, und 37 werden an den IGBTs Gate-, Source- und Drain-Verbindungen hergestellt, indem die Anzahl von leitenden Bereichen, die eine gemeinsame Stromzu- oder Abführung realisieren sollen, mit einem entsprechend großen Lotfleck gemeinsam überzogen werden. Für den Ground-Anschluss ist eine dritte Montageschicht 40 vorgesehen, die neben Masse-Potential auch Zuleitungen für den ground-seitigen Gate-Kontakt enthält. In 4 bezeichnen GND Masse, HV Hochspannung, P1 einen Phaseanschluss (z.B. Phase 1) des Motors, GL den Gate-Kontakt auf der Niederspannungsseite und GH den Gate-Kontakt auf der Hochspannungsseite.
  • Man erkennt, dass die leitenden Bereiche vorteilhafterweise nicht nur eine Leitung hoher Stromdichten in Richtung der X-Achse in der Montageschichtebene, sondern auch an beliebigen Stellen eine Durchkontaktierung der Montageschicht zur unmittelbaren Verbindung von vertikal übereinander angeordneten Halbleiterbauelementen erlaubt, z.B. deren Source- und darüber liegende Drain-Anschlüsse.
  • Die in 4 gezeigte Baugruppe ist abschließend noch durch externe Anschlüsse, Kühlung und Kapselung zu einem Modul zu vervollständigen.
    • 1
    Montageschicht
    2
    Leitungsbereich
    3
    isolierender Bereich
    4
    5
    Randbereich
    8
    Freilaufdiode
    8a
    Freilaufdiode.
    9
    IGBT
    9a
    IGBT
    10
    IGBT
    12
    Fotoimid-Rand
    14
    Anschlussfleck
    15
    16
    Anschlussfleck
    20
    zweite Montageschicht
    36, 37
    Anschlussstellen
    40
    dritte Montageschicht
    D
    Dicke
    GH
    Gate-Kontakt
    GL
    Gate-Kontakt
    GND
    Masse
    HV
    Hochspannung
    P1
    Phaseanschluss
    X
    X-Richtung
    Z
    Z-Richtung

Claims (7)

  1. Leistungshalbleiter-Baugruppe mit mindestens einem Leistungshalbleiter (9) und mit einer Montageschicht (1), wobei die Montageschicht (1) zur internen und/oder externen Kontaktierung des Leistungshalbleiters (9) mehrere von einander isolierte, parallel verlaufende Leitungsbereiche (2) aufweist, die sich jeweils innerhalb der Montageschicht (1) sowohl in einer Richtung (X) der Montageschichtebene hindurch als auch durch die Montageschichtdicke (Z) hindurch erstrecken.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, – wobei die Montageschicht (1) aus alternierend angeordneten elektrisch leitenden Bahnen und isolierenden Streifen gebildet ist.
  3. Baugruppe nach Anspruch 2, – wobei die leitenden Bahnen metallische Leiter und die isolierenden Streifen Keramikstreifen sind.
  4. Baugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, – wobei mindestens ein Anschluss des Leistungshalbleiters (9) mit mehreren Leitungsbereichen (2) verbunden ist.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die Leitungsbereiche (2) aus lötbarem Material bestehen.
  6. Baugruppe nach Anspruch 5, – wobei ein oder mehrere Anschlüsse des Leistungshalbleiters durch Diffusionslöten mit mindestens einem Leitungsbereich verbunden ist.
  7. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei auf der Oberseite und der Unterseite der Montageschicht angeordnete Leistungshalbleiter durch einen Leitungsbereich (2) elektrisch verbunden sind.
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