DE10123232A1

DE10123232A1 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE10123232A1
Application number: DE10123232A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Miller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiter-Modul mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten Halbleiterbauelement, mit einem Rahmen, der Leiterbahnen aufweist, mit denen das oder die Halbleiterbauelement(e) elektrisch leitend verbunden sind. Häufig weist das Halbleitermodul auch eine im Inneren des Gehäuses vorgesehene Vergussmasse, die auf das Halbleiterbauelement aufgebracht ist, auf. Erfindungsgemäß ist in der Vergussmasse und/oder im Material des Gehäuses ein Dämpfungsmaterial mit elektromagnetisch dämpfenden Eigenschaften vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Modul der in den Ober begriffen der Patentansprüche 1 und 8 genannten Art, das heißt ein Halbleitermodul mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten Halbleiterbauelement, mit einem Rahmen, der Leiterbahnen aufweist, mit denen der oder die Halbleiterbauelemente elektrisch leitend verbunden sind. Im Falle eines Halbleitermoduls weist dieses häufig eine im Inneren des Gehäuses vorgesehene Vergussmasse, die auf das Halbleiterbauelement aufgebracht ist, auf.

Ein solches Halbleitermodul kann beliebig ausgebildet sein, das heißt es kann sich hier um einen IGBT, einen MOSFET, ei nen J-FET, einen Thyristor oder dergleichen handeln, wobei hier auch ein diskretes Einzelhalbleiterbauelement. Der Auf bau und die Funktionsweise solcher Halbleitermodule ist viel fach bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung dieser Halbleitermodule verzichtet werden kann.

Im folgenden soll als Beispiel eines Halbleitermoduls von ei nem durch Feldeffekt gesteuerten Non-Punch-Through-IGBT - auch kurz als NPT-IGBT bezeichnet - ausgegangen werden, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleitermodul zu beschrän ken. Der Aufbau eines IGBTs im Allgemeinen und eines NPT- IGBTs im Speziellen ist beispielsweise in Jens Peer Stengl, Jenö Tihanyi, "Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag Mün chen, 1992, insbesondere auf den Seiten 101 bis 108, be schrieben.

Ein IGBT mit seinen heutigen elektrischen Eigenschaften eig net sich besonders vorteilhaft zum niederohmigen Schalten von hohen Spannungen im Bereich oberhalb 600 V bzw. hoher Ströme im Bereich von einigen hundert Ampere. Die anfänglichen Prob leme bei IGBTs, nämlich deren Neigung zum thyristorartigen "Latch-Up-Effekt" bei hohen Strömen und bei hohen Temperatu ren sowie deren Abschaltverhalten mit einhergehendem, sehr langem Tail-Strom sind bei heutigen IGBT-Halbleiterbauele menten weitestgehend beseitigt, so dass sich ein IGBT als na hezu idealer Schalter zum Schalten von hohen Spannungen und/oder hoher Strömen eignet.

Ein weiteres Problem bei IGBTs ergibt sich durch den uner wünschten Tail-Strom beim Abschalten des Halbleiterbauelemen tes. Will man den IGBT abschalten, müssen die Ladungsträger aus dem Substratbereich bzw. der Innenzone des IGBTs entfernt werden, bevor der IGBT seine volle Sperrfähigkeit wiederer langt. Dieser Ausräumvorgang macht sich durch einen Strom fluss nach dem Abschalten des Bauelementes bemerkbar: man spricht von einem sogenannten Tail-Strom. In dieser sogenann ten Tail-Phase der Strom-Spannungs-Kennlinie fließt noch ein Strom, obwohl schon die volle Sperrspannung am Bauelement an liegt. Dieser Tail-Strom ist zwar vergleichsweise gering, je doch ist die aus dem Tail-Strom resultierende Verlustleistung aufgrund der sehr hohen an dem Halbleiterbauelement anliegen den Sperrspannung nicht zu vernachlässigen. Insbesondere bei sehr häufigen Schaltvorgängen resultiert aus dem Tail-Strom eine signifikante Verlustleistung.

Je nach gewünschtem IGBT-Bauelement können durch geeignete konstruktive Maßnahmen des IGBTs die Amplitude des Tail- Stromes sowie die Dauer der Tail-Phase weitestgehend mini miert werden, wodurch auch die genannten Leistungsverluste minimiert werden können.

IGBTs im Allgemeinen und insbesondere NPT-IGBTs neigen jedoch beim Abschalten zu Schwingungen in der Tail-Phase der Strom- Spannungs-Kennlinie. Diese Schwingungen entstehen dadurch, dass nach dem Ausräumen der in der Innenzone bzw. dem Sub strat des IGBTs noch vorhandenen Speicherladung und bei einem anliegenden elektrischen Feld immer noch eine Restladung in der Innenzone verbleibt. Diese Restladung verschwindet größ tenteils zum einen durch Diffusion in die Raumladungszone und in den Rückseitenemitter und zum anderen durch Rekombination. Derjenige Teil der Ladungsträger, der in die Raumladungszone diffundiert und dort abgesaugt wird, wird durch das dort an liegende, sehr große elektrische Feld beschleunigt und am vorderseitigen Source-Kontakt abgegriffen. Die Dauer, die diese Ladungsträger für das Durchlaufen der Raumladungszone benötigen, wird als Transitzeit t_T bezeichnet und bestimmt sich aus

t_T = L_RLZ/V_S

wobei mit L_RLZ die Länge der Raumladungszone und mit V_S die Sättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger, das heißt die Geschwindigkeit, mit der die Ladungsträger die Raumladungszo ne durchlaufen, bezeichnet ist.

Diejenigen Ladungsträger, die von dem elektrischen Feld der Raumladungszone "abgesaugt" werden, bewirken somit einen feldinduzierten Strom. Dieser feldinduzierte Strom kann in der Außenbeschaltung des Halbleitermoduls, das heißt in den Bonddrähten, den Leiterbahnen, dem DCB-Substrat und derglei chen eine Spannungsüberhöhung verursachen. Äußert sich diese Spannungsüberhöhung derart, dass nach dem Durchlaufen der La dungsträger durch die Raumladungszone das elektrische Feld in der Raumladungszone gerade phasenverschoben angehoben wird, so greift das so angehobene elektrische Feld in die am Rande des elektrischen Feldes bereitstehenden Ladungsträger ein, wodurch das dortige Ladungspaket in die Raumladungszone hin eingezogen wird und so von dem elektrischen Feld abgesaugt wird. Passt die Laufzeitbedingung mit der jeweiligen, durch den Außenkreis verursachten Phasenverschiebung so zusammen, dass sich eine Phasenverschiebung von 180° ergibt, so kann sich eine hochfrequente Schwingung mit einer Periodendauer der zweifachen Laufzeit ausbilden. Für die Frequenz f dieser Schwingung gilt dann:

f = 1/2 t_T = V_S/2L_RLZ.

Man spricht hier von einer sogenannten feldinduzierten Lauf zeitschwingung, die auf die Steueranschlüsse des Halbleiter moduls rückwirken.

Die feldinduzierten Laufzeitschwingungen werden angeregt, wenn die Außenbeschaltung des Halbleitermoduls ungünstig aus gelegt ist bzw. wenn durch variierende Betriebsspannung eine entsprechende Schwingfrequenz angeregt wird. Eine ungünstige Auslegung der Außenbeschaltung kann beispielsweise durch eine symmetrische Anordnung der Bonddrähte, der Leiterbahnen und des DCB-Substrates erfolgen. Da es sich bei Verwendung von Halbleitermodulen mit Sperrspannungen im Bereich von ein oder mehreren Kilovolt um eine sehr hochfrequente Schwingung - im Bereich von einigen hundert Megaherz - handelt, ist bereits der Aufbau in der näheren Umgebung des Halbleiterbauelemen tes, wie zum Beispiel Bonddrähte, Leiterbahnen, Verbindungs leitungen parallel geschalteter Chips, DCB-Kupferstege und dergleichen, für die Ausbildung der feldinduzierten Laufzeit schwingungen relevant.

Der Innenkreis, der das Halbleiterbauelement zwischen dessen Elektrodenkontakten aufweist, und der Außenkreis, der die Au ßenbeschaltung des Halbleitermoduls enthält, wirken in diesem Fall als Schwingkreis und erzeugen eine feldinduzierte Lauf zeitschwingung. Je nach Auslegung dieses Schwingkreises, die insbesondere von der Konstruktion des Außenkreises abhängt, ist die feldinduzierte Laufzeitschwingung mehr oder weniger gravierend.

Die Frequenz der feldinduzierten Laufzeitschwingung hängt von der an dem Halbleitermodul anliegenden Betriebsspannung ab, da die Länge der Raumladungszone direkt proportional zur Be triebsspannung ist. Die feldinduzierten Laufzeitschwingungen äußern sich durch dem Tail-Strom überlagerte Spannungs- und Stromspitzen. Diese Spannungs- und Stromspitzen sind uner wünscht, da sie eine signifikante Erhöhung der Verlustleis tung in der Tail-Phase nach sich ziehen.

Die feldinduzierten Laufzeitschwingungen führen neben einer erhöhten Verlustleistung auch zu einer signifikanten Erhöhung der EMV-Abstrahlung in der Tail-Phase.

Um das Problem der feldinduzierten Laufzeitschwingungen zu vermeiden bzw. weitestgehend zu verringern, wird typischer weise der Außenkreis des Schwingkreises entsprechend ver stimmt bzw. gedämpft.

In dem Deutschen Patent DE 195 49 011 C2 ist ein gattungsge mäßes Halbleitermodul beschrieben, bei dem durch entsprechen de Auslegung des Aufbaues des Halbleitermoduls und insbeson dere durch Anordnung von Querbonds bei parallel geschalteten Halbleiterbauelementen eine Verstimmung des äußeren Schwing kreises und damit eine Reduzierung des Halbleitermoduls er reicht wird. Das Problem bei der dort beschriebenen Lösung besteht darin, dass zum einen das Vorsehen von eigens dafür vorgesehenen Querbonds, die benachbarte Halbleiterbauelemente miteinander elektrisch verbinden, einen zusätzlichen kon struktiven Aufwand erforderlich macht. Darüber hinaus ist die Anzahl und die genaue Anordnung der Querbonds innerhalb des Halbleitermoduls von Fall zu Fall an die jeweilige Konstruk tion des Halbleitermoduls anzupassen und zu optimieren, was wiederum zusätzlichen Entwicklungsaufwand kostet.

Eine weitere, allgemein bekannte Möglichkeit für ein Verstim men bzw. Dämpfen des Außenkreises kann durch Vorsehen unter schiedlich langer Bonddrähte, die benachbarte Halbleiterbau elemente miteinander verbinden, erreicht werden. Darüber hin aus sind auch Maßnahmen zur Einschnürung des DCB-Materials, auf dem die Halbleiterbauelemente angeordnet sind, denkbar.

Eine weitere, allgemein bekannte Maßnahme besteht in der An ordnung sogenannter Dämpfungsperlen, die an den Leiterbahnen, dem DCB-Substrat oder den Bonddrähten angeordnet sind. Diese Maßnahmen, die häufig bei Messapparaturen bzw. auch bei Hoch spannungsleitungen verwendet werden, eignen sich jedoch kaum für den Einsatz bei Halbleitermodulen, da der dafür erforder liche, zusätzliche Montageaufwand die Verbesserung der elekt rischen Eigenschaften diese Halbleitermoduls nicht rechtfer tigt.

Ausgehend von der DE 195 49 011 C2 liegt der vorliegenden Er findung daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Halb leitermodul bereitzustellen, bei dem auf sehr einfache und kostengünstige Weise, aber nicht desto trotz sehr effektive Weise feldinduzierte Laufzeitschwingungen weitestgehend ver ringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Halbleitermodule mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Halbleitermodul vorgesehen, das da durch gekennzeichnet ist, dass in der Vergussmasse (Anspruch 1) und/oder im Material des Gehäuses (Anspruch 8) ein Dämp fungsmaterial mit elektromagnetisch dämpfenden Eigenschaften vorgesehen ist.

Unter einem Halbleitermodul im Allgemeinen und insbesondere unter einem Halbleitermodul gemäß Anspruch 8 sei jedoch nicht ausschließlich ein in Aufbautechnik hergestelltes Modul, in dem typischerweise mehrere Halbleiterchips von einem Gehäuse umhüllt werden, zu verstehen. Vielmehr sei hier unter Halb leitermodul auch ein diskretes Einzelbauelement, welches von einem Gehäuse umhüllt wird, zu verstehen. Die Erfindung ließe sich sogar auch auf eine wie auch immer ausgebildete integ rierte Schaltung anwenden.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines Dämpfungsmaterials mit elektromagnetisch dämpfenden Eigenschaften, welches den Außenschwingkreis des Halbleitermoduls verstimmt bzw. dämpft, so dass die durch den Außenschwingkreis hervorgerufenen, feldinduzierten Laufzeit schwingungen vermieden oder zumindest weitestgehend reduziert werden.

Das Dämpfungsmaterial kann in einer innerhalb des Gehäuses vorgesehenen Vergussmasse enthalten sein. Zusätzlich oder al ternativ könnte das Dämpfungsmaterial auch im Material des Gehäuses enthalten sein. Das Vorsehen eines Dämpfungsmateri als in der Vergussmasse bzw. im Gehäuse stellt gegenüber den bisher bekannten Maßnahmen zur Reduzierung feldinduzierter Laufzeitschwingung eine sehr viel kostengünstigere Maßnahme dar. Das Dämpfungsmaterial kann vorteilhafterweise bereits dem Material der Vergussmasse bzw. des Gehäuses beigemengt werden, so dass hier kein zusätzlicher Prozessschritt erfor derlich ist.

Die das Dämpfungsmaterial enthaltende Vergussmasse ist typi scherweise sehr viel weicher als das Material des Gehäuses, in dem es angeordnet ist. Die Vergussmasse wird daher häufig als Weichverguss und die darüber befindliche harte Verguss masse als Hartverguss bezeichnet. Als Vergussmasse wird typi scherweise eine gelartige Substanz, insbesondere ein Silicon- Gel verwendet. Die Hauptanforderung einer Vergussmasse be steht in der Isolation und der Passivierung der innerhalb des Gehäuses angeordneten Halbleiterbauelemente sowie der ent sprechenden Bonddrähte und Leiterbahnen, die ohne die Ver gussmasse weitestgehend ungeschützt freiliegen würden und so mit der Gefahr von mechanischen Schäden oder einem Kurz schluss ausgesetzt wären.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ver gussmasse zumindest zweischichtig ausgebildet. Eine erste Schicht wird in bekannter Art und Weise direkt auf das Halb leiterbauelement aufgebracht und weist kein Dämpfungsmaterial auf. Auf die erste Schicht wird eine zweite Schicht, die das Dämpfungsmaterial enthält, aufgebracht. Auf diese Weise kann die Wirkung des Dämpfungsmaterials, das heißt die Art und Weise der Verstimmung, an das jeweilige Halbleitermodul ge zielt angepasst und optimiert werden.

Bei Verwendung einer Vergussmasse ist das Gehäuse typischer weise zumindest zweiteilig ausgebildet und weist einen Gehäu serahmen zur Aufnahme der Vergussmasse auf. Nach dem Aushär ten der Vergussmasse wird typischerweise ein auf den Gehäuse rahmen aufsetzbarer Gehäusedeckel aufgesetzt.

Alternativ könnte das Gehäuse selbstverständlich auch einstü ckig ausgebildet sein. Im Falle der Verwendung einer Verguss masse könnte dann das Gehäuse beispielsweise lediglich aus einem Gehäuserahmen bestehen. Die meisten einstückig ausge bildeten Gehäuse umschließen jedoch die darin eingebetteten Halbleiterbauelemente vollständig und werden beispielsweise durch Spritzguss erzeugt.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dämpfungs material sowohl in der Vergussmasse als auch im Gehäuse ange ordnet.

Als Dämpfungsmaterial wird typischerweise ein magnetisches und/oder ein metallisches Material verwendet. Im Falle eines metallischen Dämpfungsmaterials, sollte dieses möglichst nicht in direkten Kontakt mit dem Halbleiterbauelement bzw. den Leiterbahnen und den Bonddrähten geraten, da sonst die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Bonddrähten bzw. den Leiterbahnen bestünde. Der Vorteil bei Verwendung eines mag netisch wirkenden Dämpfungsmaterials besteht darin, das die ses dem Schwingkreis Energie entzieht und somit die uner wünschten Schwingungen weitestgehend dämpft.

Typischerweise wird als Dämpfungsmaterial ein Pulver verwen det, das dem Material der Vergussmasse und/oder dem Material des Gehäuses beigemengt ist. Als Dämpfungsmaterial eignet sich besonders vorteilhaft ein Ferritpulver. Ferritpulver ist zwar an sich ein gebräuchliches, leitfähiges Material, jedoch ist eine Vergussmasse, bestehend aus Silicon-Gel und Ferrit pulver, nicht leitfähig. Damit bleibt die nicht-leitende Cha rakteristik des Silicon-Gels weiterhin erfüllt, dass heißt auch durch die Beimengung des Ferritpulvers weist die Ver gussmasse eine sehr große Spannungsfestigkeit auf.

Neben der Verwendung von Ferritpulver könnte das Dämpfungsma terial natürlich auch andere Materialien, wie zum Beispiel Kobalt oder Nickel enthalten. Bei Verwendung von metallischen Dämpfungsmaterialien sollten diese vorteilhafterweise entwe der dem Material des Gehäuses beigemengt sein. Zusätzlich o der alternativ könnten diese Materialien bei einer zwei schichtig ausgebildeten Vergussmasse auch dem Material der oberen Schicht, die nicht in direktem Kontakt mit den Bond drähten, den Halbleiterbauelementen und den Leiterbahnen steht, beigemengt sein.

In einer typischen Ausgestaltung umhüllt die das Dämpfungsma terial enthaltende Vergussmasse die innerhalb des Gehäuses angeordneten Leiterbahnen und Halbleiterbauelemente sowie Verbindungsleitungen zwischen Leiterbahnen und Halbleiterbau elementen vollständig oder bedeckt diese zumindest.

Die Erfindung eignet sich besonders für Halbleitermodule mit durch Feldeffekt gesteuerten Halbleiterbauelementen, insbe sondere mit Leistungshalbleiterbauelementen. Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft bei als IGBTs und insbeson dere als NPT-IGBTs ausgebildeten Leistungshalbleiterbauele menten. Jedoch ist die Erfindung auch sehr vorteilhaft bei MOSFETs, Thyristoren, J-FETs und dergleichen anwendbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfin dungsgedankens sind den weiteren Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Halbleitermoduls;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Halbleitermoduls;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Halbleitermoduls;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Halbleitermoduls;

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Halbleitermoduls.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugs zeichen versehen.

Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Halbleitermoduls 1. Das Halbleitermodul 1 besteht aus einem strukturierten Metallträgerrahmen 2 - beispielsweise aus Kupfer. Der Metallträgerrahmen 2 weist eine untere Ober fläche 10 und eine obere Oberfläche 11, auf der die Keramik substrate 4 aufgebracht sind, auf. Der Metallträgerrahmen 2 liegt mit seiner unteren Oberfläche 10 auf einem Kühlkörper 8 auf und ist über in Fig. 1 nicht dargestellte Schrauben auf den Kühlkörper 8 aufgeschraubt. Der Kühlkörper 8 fungiert als Bodenplatte für das Halbleitermodul 1.

Auf der oberen Oberfläche 11 sind mittels einer Weichlot schicht 3 drei Keramiksubstrate 4 aufgebracht, wobei benach barte Keramiksubstrate 4 voneinander beabstandet sind. Die Keramiksubstrate 4 sind elektrisch isolierend und thermisch gut leitfähig und bestehen typischerweise aus Aluminiumoxid keramik (Al₂O₃-Keramik) oder Aluminiumnitritkeramik (AlN- Keramik). Mittels einer weiteren Lotschicht 5 werden die ei gentlichen Halbleiterbauelemente 6 auf den Keramiksubstraten 4 befestigt. Es sei angenommen, dass die Halbleiterbauelemen te 6 als NPT-IGBTs ausgebildet sind. Die Oberseiten 9 der Halbleiterbauelemente 6 sind typischerweise über Bondverbin dungen 12 elektrisch miteinander verbunden.

Das Halbleitermodul 1 weist ferner mehrere Außenanschlüsse 13, die aus dem Gehäuse 20 des Halbleitermoduls 1 herausra gen, auf. Diese Außenanschlüsse 13 sind typischerweise über Blechverbindungsleitungen 15, die über die weiteren Bonddräh te 14 mit den Halbleiterbauelementen 6 verbunden sind, mit dem Metallträgerrahmen 2 elektrisch leitend verbunden.

Ferner ist ein Gehäuse 20 vorgesehen, welches die Bodenplatte 8 formschlüssig derart umrahmt, dass die auf der Oberseite der Bodenplatte 8 angeordneten Metallträgerrahmen 2, Keramik substrate 4, Halbleiterbauelemente 6 und Bonddrähte 12, 14 vollständig von dem Gehäuse 20 umhüllt werden. Im Beispiel in Fig. 1 ist das Gehäuse 20 einstückig ausgebildet und kann beispielsweise über Schraubverbindungen mit der Bodenplatte 8 verbunden sein. Im Inneren 22 des typischerweise aus Kunst stoff bestehenden Gehäuses 20 ist eine Vergussmasse 21 vorge sehen. Die Vergussmasse 21 ist weicher als das Material des Gehäuses 20 und wird typischerweise über einen in der Gehäu sewand vorgesehenen Füllstutzen 23 flüssig in das Gehäusein nere 22 eingefüllt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass bei ausreichend großem Volumen der in das Gehäuse 20 gefüll ten Vergussmasse 21 die Halbleiterbauelemente 6, der Metall trägerrahmen 2 sowie die Bonddrähte 12, 14 vollständig von der Vergussmasse überdeckt werden. Nach dem Einbringen der Vergussmasse 21 kann diese beispielsweise durch geeignete Temperaturbehandlung ausgehärtet werden.

Als Vergussmasse 21 sollte ein Material verwendet werden, welches vor dem Einbringen in das Innere des Halbleitermoduls 1 möglichst dünnflüssig ist und welches nach der Temperatur behandlung eine harte bzw. möglichst zähflüssige Konsistenz derart aufweist, dass es auf der zur Gehäuseinneren 22 ge richteten Seite der Bodenplatte 8 fest haften bleibt. Die Vergussmasse 21 sollte darüber hinaus aus einem möglichst gut isolierenden und somit durchschlagfesten Material bestehen, um einen Kurzschluss zwischen den elektrischen Verbindungen 2, 12, 14, 15 im Gehäuseinneren 22 zu vermeiden. Darüber hin aus sollte für die Vergussmasse 21 ein thermisch möglichst gut leitfähiges Material verwendet werden. Aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit sowie seiner hervorragenden Isolati onseigenschaften eignet sich hierfür besonders vorteilhaft Silicon-Gel.

Erfindungsgemäß ist nun der Vergussmasse 21 ein Dämpfungsma terial 25 beigemengt worden. Die Elemente des Dämpfungsmate rials sind in Fig. 1 mit Kreuzen 25 angedeutet worden. Es sei angenommen, dass als Dämpfungsmaterial 25 ein Ferritpul ver verwendet wird, welches dem Silikon-Gel der Vergussmasse 21 beigemengt wurde.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen drei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass das Ge häuse 20 zweistückig ausgebildet ist und einen seitlichen Ge häuserahmen 26 sowie einen auf dem Gehäuserahmen 26 aufsteck baren Gehäusedeckel 27 aufweist. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht in der besseren Fertigbarkeit des erfin dungsgemäßen Halbleitermoduls 1. Insbesondere ist für das Einfüllen der Vergussmasse 21 kein eigens dafür vorgesehener Füllstutzen 23 erforderlich, da die Vergussmasse 21 in das Gehäuseinnere 22 direkt einfüllbar ist, bevor der Gehäusede ckel 27 aufgesetzt wird. Die Vergussmasse 21 kann daher zäh flüssiger sein, als im Ausführungsbeispiel in Fig. 1, bei dem lediglich ein kleiner Einfüllstutzen 23 vorhanden ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 lässt sich die Ver gussmasse 21 darüber hinaus vorteilhafterweise direkt aushär ten, indem sie beispielsweise direkt wärmebestrahlt wird. Im Gegensatz dazu kann die Vergussmasse 21 im Ausführungsbei spiel in Fig. 1 nur indirekt, durch Erwärmung des gesamten Halbleitermoduls 1, ausgehärtet werden.

Fig. 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dadurch, dass das Gehäuse 20 einstückig ausgebildet ist und lediglich aus dem seitlichen Gehäuserahmen 26 besteht, das heißt es ist hier, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 2, kein Gehäusedeckel 27 erforderlich. Dieses Aus führungsbeispiel ist insbesondere aus Kostengründen von Vor teil und ist besonders für solche Anwendungen geeignet, bei denen das Gehäuse 20 keiner allzu großen mechanischen Belas tung ausgesetzt ist. Jedoch sollte bei einem solchen Halblei termodul 1 eine möglichst gut aushärtende Vergussmasse 21 verwendet werden.

Fig. 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dadurch, dass die Vergussmasse 21 aus zwei Schichten 28, 29 besteht. Die erste, untere Schicht 28 sollte dabei den Metallträgerrahmen 2 und die darauf aufgebrachten Halbleiter bauelemente 6 sowie vorteilhafterweise auch die Bondverbin dungen 12, 14 vollständig bedecken. Die erste Schicht 28 weist jedoch kein Dämpfungsmaterial 25 auf. Die auf der ers ten Schicht 28 aufgebrachte zweite, obere Schicht 29 weist hingegen erfindungsgemäßes Dämpfungsmaterial 25 auf.

Fig. 5 unterscheidet von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dadurch, dass hier im Inneren des Halbleitermoduls zwar eine Vergussmasse 21 vorgesehen ist, diese jedoch kein Dämpfungs material enthält. Das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial 25 ist hier im Material des Gehäuses 20 enthalten, was in Fig. 5 wiederum mit Kreuzen angedeutet ist. Es wäre selbstver ständlich auch denkbar, dass auch in den Ausführungsbeispie len der Fig. 1 bis 4 dem Gehäusematerial ein Dämpfungsma terial 25 beigemengt ist.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen enthält das Halb leitermodul drei auf jeweils einem Chip angeordnete Halblei terbauelemente 6, jedoch sei die Erfindung auch sehr vorteil haft bei mehr oder weniger Halbleiterbauelementen 6, die von demselben Halbleitermodul 1 umhüllt sind, denkbar. Darüber hinaus kann die Erfindung im Rahmen des fachmännischen Han delns in beliebiger Art und Weise modifiziert werden. Insbe sondere kann beispielsweise auf das Vorsehen einer als Kühl körper 8 ausgebildeten Bodenplatte und/oder eines Keramiksub strates 4 verzichtet werden. In diesem Falle könnten bei spielsweise die Halbleiterbauelemente 6 direkt auf einem me tallischen Träger bzw. auf den Leiterbahnen einer Platine aufgebracht werden.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wurde das Halblei termodul 1 in entsprechender Aufbautechnik dargestellt, das heißt hier wird das fertige Gehäuse 20 über die Bodenplatte 8 aufgesteckt bzw. aufgeschraubt. Jedoch könnte das Gehäuse 20 beispielsweise auch durch Spritztechnik oder dergleichen in einem Stück hergestellt worden sein.

Die Erfindung wurde entsprechend der vorstehenden Beschrei bung anhand eines Halbleitermoduls mit mehreren einzelnen Halbleiterbauelementen (Chips) beschrieben. Als Halbleitermo dul kann jedoch - wie bereits eingangs erwähnt - auch ein diskretes Einzelhalbleiterbauelement oder ein einzelner Chip verstanden werden. Auf eine detaillierte Beschreibung eines solchen diskreten Halbleiterbauelementes wurde jedoch ver zichtet, da ein Fachmann ausgehend von einem Halbleitermodul die Erfindung auch sehr leicht auf ein diskretes Halbleiter bauelement erweitern könnte. Im Falle eines diskreten Halb leiterbauelementes besteht das Gehäuse typischerweise aus ei nem Stück. Ein solches einstückiges Gehäuse besteht bei spielsweise aus einer bekannten Pressmasse bzw. einer Mold masse (Mold-Compound). Solche Halbleiterbauelemente weisen typischerweise keine Vergussmasse auf, da dies technologisch sehr aufwendig wäre. Jedoch ist hier in dem Material des Ge häuses das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial eingebracht. Die Erfindung ließe sich auch auf eine wie auch immer ausges taltete integrierte Schaltung erweitern, wenngleich sie bei einem Leistungshalbleitermodul am effektivsten anwendbar ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass auf sehr ein fache und kostengünstige, aber nichts desto trotz sehr effektive Weise ein Halbleitermodul bereitgestellt werden kann, bei dem über ein Dämpfungsmaterial im Inneren des Halbleitermoduls unerwünschte feldinduzierte Laufzeitschwingungen weitestgehend vermieden bzw. im Idealfall sogar ganz beseitigt werden können.

Bezugszeichenliste

1

Halbleitermodul

2

Metallträgerrahmen

3

(Weich-)Lotschicht

4

Keramiksubstrat

5

(weich-)Lotschicht

6

Halbleiterbauelement

8

Bodenplatte, Kühlkörper

9

Oberseite eines Halbleiterbauelementes

10

untere Oberfläche des Metallträgerrahmens

11

obere Oberfläche des Metallträgerrahmens

12

,

14

Bondverbindungen

13

Außenanschlüsse

15

Blechverbindungsleitungen

20

Gehäuse

21

Vergussmasse

22

Gehäuseinneres

23

Füllstutzen

25

Dämpfungsmaterial

26

seitlicher Gehäuserahmen

27

Gehäusedeckel

28

erste Schicht der Vergussmasse

29

zweite Schicht der Vergussmasse

Claims

1. Halbleiter-Modul (1)
mit einem Gehäuse (20),
mit mindestens einem in dem Gehäuse (20) angeordneten Halb leiterbauelement (6),
mit einem Rahmen (2), der Leiterbahnen (2) aufweist, mit de nen der oder die Halbleiterbauelemente (6) elektrisch leitend verbunden sind,
mit einer im Inneren (22) des Gehäuses (20) vorgesehenen Ver gussmasse (21), die auf das Halbleiterbauelement (6) auf gebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Vergussmasse (21) ein Dämpfungsmaterial (25) mit elektromagnetisch dämpfenden Eigenschaften vorgesehen ist.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (25) sowohl in dem Material des Gehäuses (20) als auch in der Vergussmasse (21) enthalten ist.

3. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Vergussmasse (21) weicher ist als das Material des Gehäuses (20).

4. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergussmasse (21) eine gelartige Substanz, insbeson dere ein Silicon-Gel, vorgesehen ist.

5. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (21) zumindest zweischichtig ausgebil det ist, wobei eine erste Schicht (28) das oder die Halblei terbauelemente (6) bedeckt und wobei mindestens eine zweite Schicht (29) an die erste Schicht (28), jedoch nicht an das oder die Halbleiterbauelemente (6) angrenzt und das Dämp fungsmaterial (25) enthält.

6. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Dämpfungsmaterial (25) enthaltende Vergussmasse (21) die innerhalb des Gehäuses (20) angeordneten Leiterbah nen (2) und Halbleiterbauelemente (6) sowie die die Leiter bahnen (2), Halbleiterbauelemente (6) und aus dem Gehäuse (20) herausragenden Ausgangsleitungen (13) elektrisch verbin denden Verbindungsleitungen (12, 14, 15) vollständig umhüllt oder zumindest bedeckt.

7. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) aus einem Gehäuserahmen (26) zur Auf nahme der Vergussmasse (21) und aus einem auf den Gehäuserah men (26) aufsetzbaren Gehäusedeckel (27) besteht.

8. Halbleitermodul
mit einem Gehäuse (20),
mit mindestens einem in dem Gehäuse (20) angeordneten Halb leiterbauelement (6),
mit einem Rahmen (2), der Leiterbahnen (2) aufweist, mit de nen der oder die Halbleiterbauelemente (6) elektrisch leitend verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Material des Gehäuses (20) ein Dämpfungsmaterial (25) mit elektromagnetisch dämpfenden Eigenschaften vorgesehen ist.

9. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) einstückig ausgebildet ist.

10. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (25) magnetisch und/oder metal lisch ist.

11. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsmaterial (25) ein Pulver vorgesehen ist, das dem Material der Vergussmasse (21) und/oder dem Material des Gehäuses (20) beigemengt ist.

12. Halbleitermodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (25) ein Ferritpulver ist.

13. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (25) Kobalt und/oder Nickel ent hält.

14. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul als Leistungshalbleitermodul ausge bildet sind und das oder die Halbleiterbauelemente (6) als feldeffektgesteuerte Halbleiterbauelemente (6), insbesondere als feldeffektgesteuerte Leistungshalbleiterbauelemente (6), ausgebildet sind.

15. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Halbleiterbauelemente (6) als IGBTs, insbe sondere als NPT-IGBTs, ausgebildet sind.

16. Halbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul als diskretes Halbleiterbauelement ausgebildet ist.

17. Halbleitermodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des diskreten Halbleiterbauelementes eine Pressmasse oder eine Moldmasse enthält.