DE10103472A1 - Halbleitermodul - Google Patents

Abstract

Bei einem Halbleitermodul, insbesondere zum Einsatz in Umrichterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen ist vorgesehen, dass der teilweise aus einem Keramikwerkstoff bestehende Tragkörper (15, 16, 17, 18, 19) außer elektrisch leitenden Schichten (15, 19) an seiner Ober- und Unterseite noch eine dritte elektrisch leitende Schicht (17) aufweist, die durch zwei Isolierschichten (16, 18) von den leitenden Schichten (15, 19) an der Unter- und Oberseite des Tragkörpers beabstandet ist. Durch die dritte elektrisch leitende Schicht (17) lässt sich außer thermischen Vorteilen bei der Wärmeableitung eine kapazitive Abschirmung der Halbleiterbauelemente (25) erreichen, insbesondere, wenn die dritte elektrisch leitende Schicht mit der Beschaltung eines Halbleiterbauelements (25) elektrisch verbunden ist. Die elektromagnetische Verträglichkeit wird somit insbesondere bei Halbleitermodulen, die mit Taktfrequenzen im Kilohertzbereich betrieben werden, verbessert.

Description

Halbleitermodule weisen üblicherweise Halbleiterbauelemente auf, die auf wenigstens teilweise elektrisch isolierenden Tragkörpern angeordnet und mittels als Leiterbahnen ausgebil­ deter leitender Schichten des jeweiligen Tragkörpers elekt­ risch kontaktiert sind.

Insbesondere bei solchen Halbleitermodulen, an deren An­ schlüssen im Betrieb schnelle Spannungsänderungen, insbeson­ dere mit Taktfrequenzen von einem Kilohertz und höher auftre­ ten, können hochfrequente elektromagnetische Signale abge­ strahlt werden, die wegen der zu erfüllenden Normen der e­ lektromagnetischen Verträglichkeit unerwünscht sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit we­ nigstens einem Halbleiterbauelement, an dessen Anschlüssen im Betrieb schnelle Spannungsänderungen, insbesondere mit Takt­ frequenzen von einem Kilohertz und höher auftreten, und mit einem Tragkörper, der auf seiner dem Halbleiterbauelement zu­ gewandten Oberseite eine erste elektrisch leitende Schicht und auf seiner Unterseite eine zweite elektrisch leitende Schicht aufweist, wobei die erste elektrisch leitende Schicht von der zweiten elektrisch leitenden Schicht durch eine e­ lektrisch isolierende Zwischenschicht getrennt ist.

Insbesondere treten die genannten Probleme mit der elektro­ magnetischen Verträglichkeit bei Halbleitermodulen auf, die in Umrichterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen eingesetzt werden. Solche Umrichterbaugruppen stellen die Verbindung zwischen dem monofrequenten Energienetz und dem zu regelnden Verbraucher, beispielsweise einem elektrischen An­ trieb her, dessen Drehzahl durch die Ausgangsfrequenz der Um­ richterbaugruppe steuerbar ist.

Üblicherweise wird dazu innerhalb der Umrichterbaugruppe zu­ erst die Netzwechselspannung in einem Konverter gleichgerich­ tet und einem Gleichstromzwischenkreis zugeführt. Der Gleich­ stromzwischenkreis weist neben einem Gleichspannungsanteil einen geringen Wechselspannungsanteil mit der Netzfrequenz und weitere, mit wachsender Ordnungszahl bezüglich ihrer Amp­ litude stark abnehmende Harmonische der Netzfrequenz auf. Diese leicht wellige Gleichspannung im Gleichstromzwischen­ kreis wird einem mehrphasigen Inverter zugeführt. Dort wird durch eine mittels eines Mikrocontrollers geregelte Ansteue­ rung von Halbleiterbauelementen ("Halbleiterventilen", z. B. IGBTs) eine frequenzvariable Ausgangsspannung erzeugt, die direkt dem Verbraucher zugeführt werden kann.

Bei der Anwendung zur Drehzahlregulierung von Asynchronmoto­ ren werden die Halbleiterventile mit Taktfrequenzen im Kilo­ hertz-Bereich angesteuert. Die Übergänge zwischen dem leiten­ den und dem sperrenden Zustand der Halbleiterventile erfolgen sehr schnell, um die Schaltverluste zu minimieren. Dies führt zu steilen Spannungsflanken an den Halbleiterbauelementen und Zuleitungen.

Die Unterseite des Halbleitermoduls ist üblicherweise elekt­ risch und mechanisch mit einem zur Wärmeableitung dienenden Kühlkörper verbunden, welcher seinerseits geerdet ist. Durch zwischen der Modulunterseite und der Oberseite des Tragkör­ pers gebildete elektrische Kapazitäten ergeben sich im Be­ trieb des Halbleitermoduls hochfrequente Verschiebungsströme, die zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen führen, wobei insbesondere der Kühlkörper als großflächige Antenne wirkt.

Um die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglich­ keit zu erfüllen, werden somit umfangreiche Entstörmaßnahmen innerhalb der Umrichterbaugruppe erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektromagnetische Verträglichkeit eines Halbleitermoduls auf einfache Weise zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zwischenschicht wenigstens eine zwischen der ersten elekt­ risch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angeordnete und von diesen durch jeweils eine Iso­ lierschicht beabstandete dritte elektrisch leitende Schicht aufweist.

Die dritte elektrisch leitende Schicht wirkt dadurch, dass sie von der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Schicht isoliert ist, als wirksame kapazitive Abschirmung für die in dem Halbleitermodul auftretenden elektromagnetischen Wellen. Deren Abstrahlung wird somit durch die dritte elekt­ risch leitende Schicht wesentlich vermindert.

Es ist üblich, die zweite elektrisch leitende Schicht auf der Unterseite des Tragkörpers mit einem geerdeten Kühlkörper e­ lektrisch leitend zu verbinden. Verschiebungsströme, die in der zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht gebildeten Kapazität fließen, wurden bisher vollständig durch die Erdungsschleife geführt, was zu einer intensiven Abstrahlung führte. Gemäß der Erfindung wird durch die dritte elektrisch leitende Schicht diese genannte Kapazität durch zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kapazitäten ersetzt. Dadurch wird eine ka­ pazitive Abschirmung des Kühlkörpers von der Oberseite des Tragkörpers und eine Verminderung von Verschiebungsströmen über den Kühlkörper zum Erdpotential erreicht.

Dies hat eine Verringerung der Abstrahlung elektro­ magnetischer Wellen und somit das Erreichen einer besseren elektromagnetischen Verträglichkeit durch in das Halbleiter­ modul integrierte Maßnahmen zur Folge.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die dritte elektrisch leitende Schicht mit der Beschaltung des Halbleiterbauelementes leitend verbunden ist.

Insbesondere kann, wenn es sich um ein Halbleitermodul einer Umrichterbaugruppe handelt, die dritte elektrisch leitende Schicht mit einem der Potentiale des Gleichspannungszwischen­ kreises verbunden sein.

Dadurch können die kapazitiven Verschiebungsströme direkt in­ nerhalb des Moduls abgeleitet werden. Verschiebungsströme zwischen der dritten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht, die durch den Kühlkör­ per zum Erdpotential gelangen, werden somit weiter verrin­ gert. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der elektro­ magnetischen Verträglichkeit.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Material der dritten elektrisch leitenden Schicht eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Ma­ terial der Isolierschichten und dass die Schichtdicke der dritten elektrisch leitenden Schicht größer ist als die Schichtdicke der ersten elektrisch leitenden Schicht.

Beispielsweise kann dabei die dritte und die erste elektrisch leitende Schicht jeweils aus Metall bestehen. Die Isolier­ schichten können beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff bestehen. Da die dritte elektrisch leitende Schicht eine ge­ genüber den Isolierschichten größere Wärmeleitfähigkeit auf­ weist, dient diese dritte elektrisch leitende Schicht zur Wärmespreizung, d. h. lokal auf der Oberseite des Tragkörpers erzeugte Wärme kann in dieser Schicht lateral abgeleitet und verteilt und von dort effektiv über die Isolierschicht abge­ leitet werden. Wenn die dritte elektrisch leitende Schicht diese Aufgabe der Wärmespreizung übernimmt, kann die erste elektrisch leitende Schicht auf der Oberseite des Tragkörpers relativ dünn ausgebildet sein. Da die erste elektrisch leitende Schicht üblicherweise in einzelne, gegeneinander iso­ mespreizung ohnehin nicht in demselben Maße wie die dritte elektrisch leitende Schicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Material der dritten elektrisch leitenden Schicht eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Ma­ terial der Isolierschichten und dass die Schichtdicke der dritten elektrisch leitenden Schicht größer ist als die Schichtdicke der zweiten elektrisch leitenden Schicht.

Übernimmt die dritte elektrisch leitenden Schicht die Aufgabe der Wärmespreizung, so kann die zweite elektrisch leitende Schicht entsprechend dünner ausgebildet sein. Diese zweite elektrisch leitende Schicht ist üblicherweise ohnehin über ein Lot mit dem Kühlkörper verbunden, so dass in diesem Be­ reich eine weitere Wärmespreizung schon durch den Kühlkörper eintritt.

Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die dritte elektrisch leitende Schicht als Leiterbahn zur elektrischen Verbindung mehrerer Anschlüsse von Halbleiterbauelementen des Halbleitermoduls dient.

Zu diesem Zweck sind dann mehrere Durchkontaktierungen von der Oberseite des Tragkörpers zu der dritten elektrisch lei­ tenden Schicht notwendig, so dass beispielsweise einzelne Leiterbahnen der ersten elektrisch leitenden Schicht mit der dritten elektrisch leitenden Schicht verbunden sind.

Vorteilhaft ist dabei, dass die dritte elektrisch leitende Schicht eine großflächige leitende Verbindung darstellt, die eine geringe Induktivität aufweist, so dass bei schnellen Spannungsänderungen auftretende induktive Überspannungen weitgehend vermieden werden.

Dennoch hat es Vorteile, über die dritte elektrisch leitende Schicht nur niederfrequente Signale zu leiten.

Die dritte elektrisch leitende Schicht kann auch vorteilhaft in mehrere voneinander isolierte Leiterbahnen unterteilt sein, die jeweils zur Verbindung von Anschlüssen von Halblei­ terbauelementen dienen, so dass eine Entflechtung der Leiter­ bahnen der ersten elektrisch leitenden Schicht erreicht wer­ den kann.

Es kann in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung durch die Gestaltung einer Leiterbahn der dritten elektrisch lei­ tenden Schicht eine induktives Bauelement mit einer gewünsch­ ten Induktivität geschaffen sein.

Hierzu wird beispielsweise die Leiterbahn innerhalb der drit­ ten elektrisch leitenden Schicht mäanderförmig oder spiral­ förmig geführt. Es entsteht ein Bauteil mit einer gewünschten Induktivität, das sehr platzsparend realisiert ist.

In entsprechender Weise kann durch die Gestaltung und Anord­ nung einer Leiterbahn der dritten elektrisch leitenden Schicht und einer Leiterbahn der ersten und/oder der zweiten elektrisch leitenden Schicht ein kapazitives Bauelement mit einer gewünschten Kapazität geschaffen sein.

Hierzu ist vorgesehen, dass ein Flächenbereich der dritten elektrisch leitenden Schicht einem entsprechenden Flächenbe­ reich der ersten und/oder der zweiten elektrisch leitenden Schicht direkt gegenüber liegt, so dass durch diese Flächen­ bereiche ein Plattenkondensator mit vorher bestimmbarer Größe und Isolationsabstand gebildet ist.

Die elektrisch leitenden Schichten bestehen üblicherweise aus Metall, vorteilhaft aus Kupfer, jedoch ist auch die Anwendung von elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder leitenden Kera­ mikwerkstoffen grundsätzlich denkbar.

Die Isolierschichten bestehen üblicherweise aus thermischen Gründen aus Keramikwerkstoffen, beispielsweise aus AL₂O₃, AlN oder BeO, jedoch ist hier auch die Anwendung von isolierenden Kunststoffen oder anderen Isolierwerkstoffen denkbar.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.

Dabei zeigt jeweils in schematischer Darstellung

Fig. 1 ein Halbleitermodul in einer Draufsicht,

Fig. 2 einen Teil eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls im Querschnitt

Fig. 3 einen Teil eines Halbleitermoduls gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt,

Fig. 4 eine Darstellung der Verschiebungsströme anhand ei­ nes Halbleitermoduls gemäß der Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Verschiebungs­ ströme anhand des Halbleitermoduls gemäß der Erfin­ dung entsprechend Fig. 2,

Fig. 6 einen beispielhaften Aufbau der dritten elektrisch leitenden Schicht gemäß der Erfindung,

Fig. 7 einen Teil des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einem Querschnitt mit unterschiedlichen Schicht­ dicken der elektrisch leitenden Schichten,

Fig. 8 beispielhaft die Gestaltung der dritten elektrisch leitenden Schicht und

Fig. 9 die Gestaltung einer ersten elektrisch leitenden Schicht, die im Zusammenhang mit der in Fig. 8 dargestellten Schicht die Ausbildung eines kapazi­ tiven und eines induktiven Bauelementes verwirk­ licht.

In der Fig. 1 ist in einer Draufsicht ein keramischer Trag­ körper 1 dargestellt, auf dessen Oberseite Halbleiterbauele­ mente, nämlich Dioden 2, 3 und IGBTs 4, 5 angeordnet sind.

Die Halbleiterbauelemente 2, 3, 4 und 5 sind auf metallischen Leiterbahnen 6, 7 angeordnet, die zusammen eine erste elekt­ risch leitende Schicht 15 bilden.

Ein derartiges Halbleitermodul wird beispielsweise in Um­ richterbaugruppen für Leistungselektronikanwendungen einge­ setzt, die beispielsweise dazu dienen, Asynchronmotoren anzu­ steuern. Der positive Spannungsversorgungsanschluss ist mit 8, der negative Anschluss mit 9 bezeichnet. Der Phasenausgang ist mit 10 bezeichnet. Die verdickten Punkte bezeichnen je­ weils elektrische Anschlüsse und die diese verbindenden Li­ nien 11, 12 bezeichnen Verbindungsleiter, die oberhalb der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 beispielsweise als Bonddrähte verlaufen.

Die Stromführung durch die einzelnen Halbleiterbauelemente 2, 3, 4, 5 ist im wesentlichen vertikal, das heißt senkrecht zur Ebene der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 die weiter unten anhand der Fig. 2 und 5 näher dargestellt wird.

Die gepunkteten Bereiche in der Fig. 1 stellen isolierende Teile des Tragkörpers 1 dar, die nicht von Leiterbahnen 6, 7 überdeckt sind und die die elektrisch isolierende Trennung der Leiterbahnen 6, 7 voneinander bewirken.

In der Fig. 2 ist schematisch im Querschnitt der Aufbau ei­ nes erfindungsgemäßen Halbleitermoduls dargestellt. Dabei stellen die verschiedenen Schichten von oben nach unten fol­ gendes dar: Mit 13 ist ein Halbleiterbauelement bezeichnet, das beispielsweise als Diode 2, 3 oder als IGBT 4, 5 ausge­ bildet sein kann. Das Halbleiterbauelement 13 ist mittels ei­ ner Lotschicht 14 auf einer Leiterbahn 6, 7 der ersten elekt­ risch leitenden Schicht 15 befestigt und mit dieser kontak­ tiert.

Die erste elektrisch leitende Schicht 15 ist Teil eines Trag­ körpers 15, 16, 17, 18, 19, der außerdem eine erste Isolierschicht 16, eine dritte elektrisch leitende Schicht 17 sowie eine zweite Isolierschicht 18 und eine zweite elektrisch lei­ tende Schicht 19 aufweist.

Die Isolierschichten 16, 18 bestehen dabei beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem Polymer, dem zur besse­ ren Wärmeleitung ein Keramikwerkstoff in Pulverform zugesetzt ist.

Auf der Unterseite des Tragkörpers 15, 16, 17, 18, 19 ist die zweite elektrisch leitende Schicht 19 angeordnet. Diese ist mittels einer Lotschicht 20 mit einem Kühlkörper 21 derart elektrisch und mechanisch verbunden, dass eine gute Wärmelei­ tung gewährleistet ist.

Der Kühlkörper 21 kann mit Mitteln zur besseren Wärmeablei­ tung, beispielsweise einem Kühlflüssigkeitssystem oder einer Luftkühlung versehen sein.

In der Fig. 3 ist ein Halbleitermodul gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Es sind dort nur die zu dem erfindungs­ gemäßen Halbleitermodul unterschiedlichen Einzelheiten mit Bezugszeichen versehen und beschrieben.

Die erste elektrisch leitende Schicht 22 ist direkt auf einer Isolierschicht 23 des Tragkörpers 22, 23, 24 angeordnet, die beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff besteht. Auf der Unterseite des Tragkörpers 23 ist die zweite elektrisch lei­ tende Schicht 24 angeordnet.

Der Tragkörper 22, 23, 24 kann im Ganzen als DCB-Körper (Direct Copper Bonded), das heißt als ein beidseitig mit einer dünnen Kupferschicht versehener relativ dicker Keramikträger gestal­ tet sein. Dabei werden die Kupferschichten durch ein Press­ verfahren aufgebracht und zumindest die Kupferschicht 22 auf der dem Halbleiterbauelement 25 zugewandten Oberseite des DCB-Körpers ist in Form von Leiterbahnen ausgebildet.

Die Funktion der Erfindung soll im folgenden anhand der Fig. 4 und 5 noch näher erläutert werden.

In der Fig. 4 ist ein Halbleitermodul gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei durch die stilisierte Darstellung 26 eines Kondensators angedeutet ist, dass sich zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht 22 und der zweiten elekt­ risch leitenden Schicht 24 eine Kapazität ausbildet, deren Dielektrikum durch die Zwischenschicht 27 gebildet ist. Der Pfeil 28 deutet den Laststrom an, der im Betrieb durch das Halbleiterbauelement 25 und die Leiterbahnen der ersten e­ lektrisch leitenden Schicht 22 fließt.

Schnelle Änderungen der an den Anschlüssen des Halbleiterbau­ elements 25 bzw. an den Leiterbahnen anliegenden Spannung, beispielsweise bei Taktfrequenzen im Kilohertzbereich bewir­ ken an der Kapazität 26 Verschiebungsströme, die durch die Pfeile 29, 30, 31 dargestellt sind und deren Größe der zeit­ lichen Ableitung der Spannung proportional ist. Die Verschie­ bungsströme fließen über den Kühlkörper 32 und den Lastwider­ stand 33 (z. B. parasitärer Zuleitungswiderstand) zum Er­ dungsanschluss ab.

Dabei werden von dem Kühlkörper und dem Erdungsanschluss in­ folge der hochfrequenten Verschiebungsströme elektro­ magnetische Wellen abgestrahlt, die in der Umgebung des Halb­ leitermoduls Störungen hervorrufen können und die elektromag­ netische Verträglichkeit des Halbleitermoduls verschlechtern.

In der Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul dar­ gestellt, bei dem die elektromagnetische Verträglichkeit er­ heblich verbessert ist. Der Tragkörper weist eine Zwischen­ schicht 16, 17, 18 auf, die aus zwei Isolierschichten 16, 18 besteht, zwischen denen eine dritte elektrisch leitende Schicht 17 angeordnet ist. Die dritte elektrisch leitende Schicht 17 ist in diesem Fall über die Leitung 34 mit einem Anschluss 35 des Halbleiterbauelementes 25 verbunden.

Aus der Aufteilung der Zwischenschicht in zwei voneinander getrennte elektrisch isolierende Schichten 16, 18 ergibt sich zunächst, dass die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 19 nun durch eine elektrische Reihenschaltung zweier Kapazitäten realisiert ist, die in der Fig. 5 durch symboli­ sche Darstellungen von Kondensatoren angedeutet sind. Hier­ durch ergibt sich bei gleichen Dicken der isolierenden Schichten wie in Fig. 4 zunächst eine insgesamt verringerte Serienkapazität, die zur Verringerung der Verschiebungsströme gegenüber der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4) führt.

Die Größe der Verschiebungsströme hängt jedoch auch von der Dicke der Isolierschichten 16, 18 ab.

Einen wesentliche Verringerung der Abstrahlung von elektro­ magnetischen Wellen ergibt sich daraus, dass die dritte e­ lektrisch leitende Schicht 17 über die Leitung 34 mit einem Anschluss 35 des Halbleiterbauelementes 25 verbunden ist. Durch diese Verbindung können Verschiebungsströme effektiv innerhalb des Moduls abgeleitet werden. Dies ist besonders dann effektiv, wenn die dritte elektrisch leitende Schicht 17 mit einem Anschluss 35 des Halbleiterbauelements 25 verbunden ist, der nur niederfrequente Spannungen bzw. Gleichspannung führt.

Die dritte elektrisch leitende Schicht 17 stellt somit eine kapazitative Abschirmung des Halbleiterbauelementes 25 von dem Kühlkörper 21 und dem Erdanschluss dar. Diese relativ großen Bauteile werden somit nur noch mit einem erheblich verringerten Verschiebungsstrom 36, 37 beaufschlagt, der an der durch die zweite Isolierschicht 18 gebildeten Kapazität zwischen der dritten elektrisch leitenden Schicht 17 und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 19 anfällt.

Zur genaueren Erläuterung ist in der Fig. 6 beispielsweise die zu dem in Fig. 1 dargestellten Halbleitermodul 1 passen­ de dritte elektrisch leitende Schicht 17 dargestellt, die in einzelne Leiterbahnen 17a, 17b, 17c, 17d aufgeteilt ist. Die mit 38, 39, 40, 41 bezeichneten Punkte stellen Durchkontak­ tierungen dar, durch die die Leiterbahnen 17b, 17d der drit­ ten elektrisch leitenden Schicht 17 mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 leitend verbunden sind. Durch diese Ver­ bindungen können Verschiebungsströme, die zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dritten elektrisch lei­ tenden Schicht fließen, effektiv innerhalb des Halbleitermo­ duls abgeleitet werden.

Die in der Fig. 6 dargestellten Halbleiterbauelemente 2, 3, 4, 5 befinden sich nicht direkt auf der dritten elektrisch leitenden Schicht 17, sondern oberhalb der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 und sind in der Fig. 6 nur der Orien­ tierung halber eingezeichnet. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist die dritte elektrisch leitende Schicht 17 (mittle­ re Schicht) in Fig. 6 schraffiert dargestellt.

Anhand der Fig. 7 soll im folgenden erläutert werden, wie durch die Gestaltung der Schichtdicken der ersten, zweiten und dritten elektrisch leitenden Schichten sowie der isolie­ renden Schichten mechanische, elektrische und thermische Pa­ rameter optimiert werden können.

Der Übersichtlichkeit halber werden, soweit möglich, Bezugs­ zeichen entsprechend der Fig. 5 verwendet.

Die Schichtdicke a der ersten elektrisch leitenden Schicht 15 kann gering gewählt werden, da diese im wesentlichen elektri­ sche Aufgaben, nämlich die Signalleitung und die Leitung e­ lektrischer Leistung über die einzelnen Leiterbahnen 6, 7 der Schicht zu erfüllen hat. Die Schichtdicke der ersten isolie­ renden Schicht 16 kann vorteilhaft dünner gewählt werden als die Schichtdicke der zweiten isolierenden Schicht 18. Dadurch wird bewirkt, dass die Kapazität des über der ersten isolie­ renden Schicht 16 gebildeten Kondensators größer ist als die über der zweiten isolierenden Schicht 18 gebildete Kapazität. Hierdurch sind die Verschiebungsströme infolge von hochfre­ quenten Spannungsänderungen über die zweite elektrisch iso­ lierenden Schicht 18 geringer als die über die erste elekt­ risch isolierende Schicht 16 fließenden Verschiebungsströme, die über die dritte elektrisch leitende Schicht 17 modulin­ tern abgeleitet werden können.

Für die dritte elektrisch leitende Schicht 17 wird vorteil­ haft eine höhere Schichtdicke b gewählt als die erste elekt­ risch leitende Schicht 15. Die dritte elektrisch leitende Schicht 17 erfüllt somit die Funktion einer effektiven Wärme­ spreizung, das heißt die laterale Verteilung der in den Halb­ leiterbauelementen erzeugten Wärme innerhalb der Schicht 17.

Die Schichtdicke c der zweiten elektrisch leitenden Schicht 19 ist von nachrangiger Bedeutung, da diese üblicherweise mittels einer Lotschicht 20 auf einen typischerweise metalli­ schen Kühlkörper 21 aufgelötet ist und mit diesem einen me­ chanischen, thermischen und elektrischen Verbund bildet.

Die Schichtdicken der ersten elektrisch isolierenden Schicht 16 und der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 18 müssen außerdem die Bedingung erfüllen, dass insbesondere die erste elektrisch isolierende Schicht 16 dick genug ist, um die Mo­ dulsperrspannung zu isolieren.

Für den Fall, dass auf der Unterseite des Moduls kein Kühl­ körper vorgesehen ist, kann die zweite elektrisch leitende Schicht 19 zur mechanischen Stabilisierung und aus thermi­ schen Gründen mit einer größeren Schichtdicke ausgeführt wer­ den.

Durch die sandwichartige Struktur des Tragkörpers ergibt sich im Verbund von Metall- und Keramikschichten bzw. Metall- und Polymerschichten eine verbesserte mechanische Stabilität, so dass die Gesamtschichtdicke bei gleichbleibender Stabilität verringert werden kann.

Anhand der Fig. 8 und 9 soll in einer Zusammenschau ver­ deutlicht werden, wie durch eine geeignete Gestaltung der ersten elektrisch leitenden Schicht 16 und der dritten elekt­ risch leitenden Schicht 17 und deren Zusammenwirken gezielt kapazitive und induktive Bauelemente gebildet sein können.

Die dritte elektrisch leitende Schicht ist in der Fig. 8 mit 42 bezeichnet, die erste elektrisch leitende Schicht in der Fig. 9 mit 43. In der dritten elektrisch leitenden Schicht ist der Durchkontaktierungspunkt 44 mittels einer spiralför­ migen Leiterbahn 45 mit dem weiteren Durchkontaktierungspunkt 46 verbunden (vergleiche Fig. 8).

In der darüber liegenden ersten elektrisch leitenden Schicht 43 ist der Durchkontaktierungspunkt 44 mit der Anschlusslei­ terbahn 47 verbunden. Der Durchkontaktierungspunkt 46 ist mit der Anschlussleiterbahn 48 verbunden.

Zwischen den Anschlussleiterbahnen 47 und 48 ist somit ein induktives elektrisches Bauteil in Form einer Leiterspirale verwirklicht.

In der dritten elektrisch leitenden Schicht 42 ist außerdem eine rechteckige Metallisierungsfläche 49 realisiert, die mittels der Durchkontaktierungspunkte 50, 51 mit der oben liegenden Leiterbahnanschlussfläche 52 der ersten elektrisch leitenden Schicht verbunden ist. Diese Metallisierungsfläche 49 bildet mit der weiteren Metallisierungsfläche 53 der oben liegenden ersten elektrisch leitenden Schicht 43 einen Plat­ tenkondensator, der ein kapazitives Bauelement verwirklicht.

Die beiden Anschlüsse des Plattenkondensators sind in der ersten elektrisch leitenden Schicht 43 durch die Leiterbahn­ anschlussflächen 52 und 54 gegeben.

Durch Einfügen der dritten elektrisch leitenden Schicht in den Tragkörper des Halbleitermoduls ergeben sich somit in e­ lektrischer, thermischer und mechanischer Hinsicht erhebliche Vorteile und Gestaltungsmöglichkeiten.

Claims (10)

1. Halbleitermodul mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (2, 3, 4, 5), an dessen Anschlüssen im Betrieb schnelle Span­ nungsänderungen, insbesondere mit Taktfrequenzen von 1 khz und höher, auftreten,
und mit einem Tragkörper (1, 6, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 22, 23, 24), der auf seiner dem Halbleiterbauelement (2, 3, 4, 5) zugewandten O­ berseite eine erste elektrisch leitende Schicht(6, 7, 15, 22) und auf seiner Unterseite eine zweite elektrisch leitende Schicht (19, 24) aufweist,
wobei die erste elektrisch leitende Schicht (6, 7, 15, 22) von der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) durch eine wenigstens teilweise elektrisch isolierende Zwischenschicht (16, 17, 18) getrennt ist und
wobei die Zwischenschicht (16, 17, 18) wenigstens eine zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (6, 7, 15, 22) und der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24) angeordnete und von diesen durch jeweils eine Isolierschicht (16, 18) beabstandete dritte elektrisch leitende Schicht (17) auf­ weist.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die dritte elekt­ risch leitende Schicht (17) mit der Beschaltung des Halblei­ terbauelementes (2, 3, 4, 5), insbesondere mit einem Gleich­ spannungskreis, leitend verbunden ist.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mate­ rial der dritten elektrisch leitenden Schicht(17) eine grös­ sere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Iso­ lierschichten (16, 18) und wobei die Schichtdicke (b) der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) grösser ist als die Schichtdicke (a) der ersten elektrisch leitenden Schicht (6, 7, 15, 22).

4. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mate­ rial der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) eine grö­ ßere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Iso­ lierschichten (16, 18) und wobei die Schichtdicke (b) der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) größer ist als die Schichtdicke (c) der zweiten elektrisch leitenden Schicht (19, 24).

5. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die dritte elektrisch leitende Schicht (17) als Lei­ terbahn zur elektrischen Verbindung mehrerer Anschlüsse von Halbleiterbauelementen (2, 3, 4, 5) des Halbleitermoduls dient.

6. Halbleitermodul nach Anspruch 5, bei dem die dritte elekt­ risch leitende Schicht (17) in mehrere voneinander isolierte Leiterbahnen (42, 45) unterteilt ist.

7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem durch die Gestaltung einer Leiterbahn (45) der dritten elekt­ risch leitenden Schicht (17) ein induktives Bauelement mit einer gewünschten Induktivität geschaffen ist.

8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, bei dem durch die Gestaltung und Anordnung einer Leiterbahn (42) der dritten elektrisch leitenden Schicht (17) und einer Lei­ terbahn (43) der ersten und/oder der zweiten elektrisch lei­ tenden Schicht ein kapazitives Bauelement mit einer gewünsch­ ten Kapazität geschaffen ist.

9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem wenigstens die dritte elektrisch leitende Schicht (17) aus einem Metall besteht.

10. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Isolierschichten (16, 18) aus einem Keramikwerkstoff be­ stehen.