DE102004046806A1

DE102004046806A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102004046806A1
Application number: DE102004046806A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr. Bayerer; Markus Dr. Thoben
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: US20060072261A1; DE102004046806B4; US7701051B2

Abstract

Leistungshalbleitermodul (1) mit auf einem Substrat (14) angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (2, 4, 6, 8, 10, 12), von welchen wenigstens ein Teil parallel geschaltet und symmetrisch auf dem Substrat (14) angeordnet ist, wobei für die Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) eine zweite Leitungsebene (24, 26) vorgesehen ist, welche elektrisch isoliert von der Substratoberfläche (16) oberhalb der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) angeordnet ist.

Description

Leistungshalbleitermodule werden üblicherweise zum Steuern und Schalten großer Stromstärken verwendet. Derartige Leistungshalbleiterbauelemente sind beispielsweise aus der WO 03/030247 A2 oder der US 5,637,922 A bekannt.

Die Stromtragfähigkeit solcher Leistungshalbleitermodule ist begrenzt. So können beispielsweise auf Grund der mit dem Steuern bzw. Schalten von hohen Strömen einhergehenden Wärmeentwicklung Leistungshalbleitermodule mit einer begrenzten Fläche nur bis zur einer gewissen Stromstärke belastet werden.

Der Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, ein Leistungshalbleitermodul mit einer erhöhten Stromtragfähigkeit pro Fläche des Leistungshalbleitermoduls zur Verfügung zu stellen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.

Grundgedanke der Erfindung ist es, bei einem Leistungshalbleitermodul mit Leistungshalbleiterbauelementen auf einem Substrat wenigstens einen Teil der Leistungshalbleiterbauelemente parallel zu schalten und symmetrisch auf dem Substrat anzuordnen. Hierdurch wird die in den Leistungshalbleiterbauelementen anfallende Verlust- oder Abwärme besser auf die gesamte Substratfläche und somit auch annähernd über die gesamte den Leistungshalbleiterbauelementen abgewandte Unterseite des Substrats verteilt. Es ergibt sich dann ein verbesserter thermischer Widerstand zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und einem üblicherweise an der Unterseite des Substrats angeordneten Kühlkörper sowie zur Umgebung.

Für die Verdrahtung der Leistungshalbleiter-Chips wird eine zweite Leitungsebene genutzt, die isoliert über der Substratleiterebene und den Chips liegt. Dadurch können die Trenngräben und Leiterbahnen neben den Lötflächen der Chips eliminiert werden und die Fläche zur Auflötung größerer Chips oder bevorzugt weiterer parallelgeschalteter Chips genutzt werden. Durch die Auslegung des Moduls sind die Chips symmetrisch niederinduktiv angeordnet.

Die Wärmewiderstände werden drastisch reduziert, wobei Reduktionen im Bereich von 30% möglich sind. Dieser Effekt ergibt sich durch die auf diese Weise mögliche Ausnutzung der Wärmespreizung in dem Substrat und den an dieses angrenzenden Schichten, wie beispielsweise Wärmeleitpasten oder Kühlkörper. Infolgedessen wird die Verlustwärme der Leistungshalbleiterbauelemente deutlich besser abgeführt, so dass diese größere Stromstärken schalten und steuern können als bei konventioneller Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls, ohne hierbei Schaden zu nehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung des Grundaufbaus eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
2 die Metallisierungen in einer zweiten Leitungsebene des Leistungshalbleitermoduls aus 1,
3 ein mit magnetischen Folien versehenes Leistungshalbleitermodul aus 2,
4 ein Ausführungsbeispiel eines erweiterten Leistungshalbleitermoduls, welches aus drei Basis-Leistungs-halbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 aufgebaut ist,
5 ein Leistungshalbleitermodul aus 4 mit darin angeordnetem Zwischenkreiskondensator,
6 eine schematische Darstellung der Verbindung des Leistungshalbleitermoduls aus 5 mit einer Leiterplatte,
7 eine vergleichende Darstellung der simulierten Temperaturverteilung in einem konventionellen (a) und einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul (b), und
8 den thermischen Widerstand bei einem wassergekühlten erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Grundaufbaus eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, bei welchem auf der Substratoberfläche 16 des Substrats 14 Leistungshalbleiterbauelemente in Form der bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) 2, 4, 6, 8 und der Dioden 10 und 12 in konzeptionell unterteilten Flächenabschnitten 20 und 22 der Substratoberfläche 16 angeordnet sind. Der erste Flächenabschnitt 20 und zweite Flächenabschnitt 22 sind identisch ausgeführt und somit mit denselben Leistungshalbleiterbauelementen 2, 4, 6, 8, 10 und 12 bestückt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind die beiden Flächenabschnitte 20 und 22 elektrisch leitend ausgeführt, was insbesondere dadurch realisiert sein kann, dass als Substrat 14 ein DCB-(Direct-Copper-Bonding) Substrat vorgesehen ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10 und 12 in einer zweiten Leitungsebene, die im in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Metallisierungen in der zweiten Leitungsebene 24 und 26 gebildet ist. Diese zweite Leitungsebene bzw. die darin angeordneten Metallisierungen 24 und 26 sind elektrisch isoliert von der Substratoberfläche 16 oberhalb der dieser Substratfläche 16 abgewandeten Oberflächen der Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10 und 12 angeordnet.
Durch das Vorsehen dieser zweiten Leitungsebene können Trenngräben und Leiterbahnen, welche üblicherweise neben Lötflächen für die Leistungshalbleiterbauelemente auf der Substratoberfläche 16 angeordnet sind, von dieser Substratoberfläche 16 entfernt werden. Man erhält demzufolge einen freien Bereich der Substratoberfläche, welcher zur Auflötung größerer Leistungshalbleiterbauelemente oder bevorzugt für die Anordnung weiterer parallel geschalteter Leistungshalbleiterbauelemente genutzt werden kann. Somit kann bezogen auf die Fläche des Leistungshalbleitermoduls eine höhere Strom- bzw. Leistungstragfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls erzielt werden.
Weiterhin sind bevorzugt auf den der Substratoberfläche 16 abgewandten Oberflächen der Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10, 12 jeweils Kontaktflächen für Versorgungs- und Steuerleitungen 30 dieser Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10, 12 vorgesehen.
Im in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die IGBTs 2, 4, 6 und 8 parallel geschaltet und symmetrisch bezüglich der Anschlüsse des Leistungshalbleitermoduls angeordnet. Weiterhin sind die Dioden 10 und 12 parallel geschaltet und in der selben Weise symmetrisch angeordnet.
Weiterhin sind die IGBTs 2, 4, 6 und 8 für den selben Nennstrom ausgelegt, beispielsweise 25A, und ersetzen so einen IGBT mit einem Nennstrom von 100A. Auch die Dioden 10 und 12 sind hinsichtlich ihres Nennstroms identisch ausgeführt, beispielsweise 50A-Dioden, die zusammen genommen eine 100A-Diode ersetzen.
Durch die symmetrische Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10, 12 sowie deren identische Ausführung ergibt sich eine gleichmäßige Belastung der Halbleiter und Strombahnen. Die in der 7 dargestellten Ergebnisse von Simulationsrechnungen zeigen, welchen Einfluss das Ersetzen eines Leistungshalbleiterbauelements mit hohem Nennstrom durch mehrere parallel geschaltete und symmetrisch angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8 mit kleinerem Nennstrom auf die Temperaturverteilung in einem Leistungshalbleitermodul im Betriebszustand hat.
In 7a ist die Temperaturverteilung in einem Leistungshalbleitermodul 69 in welchem ein IGBT mit einen Nennstrom von 100A vorgesehen ist, gezeigt. 7b hingegen illustriert die Temperaturverteilung in einem entsprechenden Leistungshalbleitermodul 79, in welchem vier IGBTs mit einen Nennstrom von 25A 80, 82, 84, 86 vorgesehen sind. Der Übersichtlichkeit halber wurde in beiden Simulationsrechnungen davon ausgegangen, dass jeweils nur ein Flächenabschnitt in Betrieb ist. Ein Vergleich der Temperaturverteilungen zeigt, dass im Fall des Leistungshalbleitermoduls 79 die Ab- bzw. Verlustwärme der IGBTs 80, 82, 84 und 86 deutlich besser auf die gesamte Substratfläche verteilt wird und damit auch annähernd auf die gesamte Unterseite des Substrats, so dass sie besser abgeführt werden kann.
Dementsprechend fällt der Wärmewiderstand bzw. thermische Widerstand für das Leistungshalbleitermodul 69 bzw. 100A-IGBT deutlich höher aus als für die Summe der vier 25A-IGBTs im Leistungshalbleitermodul 79. Dieser Sachverhalt ist in 8 illustriert, welche die thermischen Widerstände in den Leistungshalbleitermodulen 69 bzw. 79 unter Betriebsbedingungen zeigen. Hierbei wurden auch die Wärmewiderstände in denjenigen Schichten berücksichtigt, die im Betriebszustand mit den Leistungshalbleitermodulen in Verbindung stehen. Dies sind im Einzelnen ein Kühler, eine Wärmeleitpaste, eine Grundplatte, ein Lot, welches die Grundplatte mit der Unterseite des Substrats, welches als DCB-Substrat ausgeführt ist, verbindet, der Kern des Substrats aus Al₂O₃, die obige Kupferschicht des DCB-Substrats, das oberseitige Lot sowie das Silizium der Leistungshalbleiterbauelemente.
Auf Grund des verringerten thermischen Widerstandes können bei erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodulen Leistungshalbleiterbauelemente vorgesehen werden, deren Nennstrom in ihrer Summe über dem Nennstrom liegt, den ein einzelnes Leistungshalbleiterbauelement aufweisen kann, ohne im Betrieb auf Grund gestauter Verlustwärme Schaden zu erleiden. In Folge ergibt sich für das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul bei vergleichbarer Fläche eine höhere Stromtragfähigkeit.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Flächenabschnitte 20 und 22 mittels einer Reihenschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise ist eine Halbbrückenschaltung einfach realisierbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, das einander entsprechende Versorgungs- und Steuerleitungen 30 parallel geschalteter Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10, 12 jeweils durch eine zusammenhängende Metallisierung verbunden sind, wobei diese Metallisierungen bevorzugt in der zweiten Leitungsebene angeordnet sind. Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Metallisierungen durch die Metallisierungen in der zweiten Leitungsebene 24 und 26 gebildet, welche entsprechende Anoden, Kathoden, Emitter, Gates oder Basen der IGBTs bzw. Dioden jeweils miteinander verbinden.
Vorzugsweise weisen die zusammenhängenden Metallisierungen 24, 26 eine Dicke in einem Bereich von 20 μm bis 1 mm auf.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass die geometrische Struktur der zusammenhängenden Metallisierungen 24, 26 derart gestaltet ist, dass die Entstehung parasitärer Schwingungen im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 1 vermieden werden, insbesondere parasitäre Schwingungen mit Frequenzen über 100 MHz. Derartige parasitäre Schwingungen treten i.d.R. vor allem bei Schaltvorgängen auf. Hinsichtlich genaurer Ausführungen zu der geometrischen Struktur der zusammenhängenden Metallisierung sowie zu deren Wirkungsweise sei an dieser Stelle auf die DE 101 59 851 verwiesen. Ein Ausführungsbeispiel für solch eine parasitäre Schwingungen unterdrückende geometrische Struktur der Metallisierung ist durch Metallisierungen in der zweiten Leitungsebene 24 und 26 in 2 gegeben.
Bevorzugt werden die Leistungshalbleiterbauelemente 2, 4, 6, 8, 10, 12 direkt miteinander verbunden, um sehr hohe Eigenfrequenzen des Schwingkreises, welcher aus den Kapazitäten der Leistungshalbleiterbauelementen 2, 4, 6, 8, 10, 12 und den Induktivitäten der Zwischenverbindungen gebildet sind, zu erhalten, so dass diese durch Schaltvorgänge nicht angeregt werden können.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zur Isolierung der zweiten Leitungsebene, welche in den 2 und 3 durch die Metallisierungen 24 und 26 gebildet ist, von der Substratoberfläche 16 zwischen diesen wenigstens eine Isolierfolie mit magnetischen Bestandteilen angeordnet ist. Diese bewirkt zwischen der zweiten Leitungsebene und einer auf der Substratoberfläche 16 vorgesehenen leitenden Fläche, wie beispielsweise der Oberfläche eines DCB-Substrats, eine geringfügige Induktivitätserhöhung. Diese kann so ausgestaltet sein, dass die Eigenfrequenzen des Leistungshalb leitermoduls unter die Erregerfrequenz der Schaltvorgänge sinkt, so dass parasitäre Schwingungen unterdrückt werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu sieht eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung vor, dass auf der der Substratoberfläche 16 abgewandten Seite der zweiten Leitungsebene wenigstens eine magnetische Folie angeordnet ist, welche die zweite Leistungsebene zumindest teilweise überdeckt. In 3 sind schematisch solche magnetischen Folien 32, 34 dargestellt, welche die Metallisierungen der zweiten Leitungsebene 24 und 26 überdecken. Deren magnetischen Bestandteile nehmen wiederum Einfluss auf die Eigenfrequenz des Leistungshalbleitermoduls, sodass bei entsprechender Ausgestaltung diese sich hinreichend von den Schaltfrequenzen unterscheidet, sodass parasitäre Schwingungen stark gedämpft bzw. vermieden werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Gatekontakte derjeniger Leistungshalbleiterbauelemente, welche Transistoren sind, im in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel also die IGBTs 2, 4, 6, 8, mittels schmaler, dünner Leisterbahnen 30 verbunden, wobei diese Leiterbahnen 30 in ihrer Länge, Breite und Dicke so bemessen sind, dass vor jedem mit diesem Leiterbahnen 30 kontaktierten Transistor bzw. IGBT 2, 4, 6, 8, 10 ein verteilter Widerstand mit einem Widerstandswert größer als 0,1 Ohm gegeben ist. Auf diese Weise lassen sich Schwingungen im Gatekreis vermeiden, welcher gebildet ist aus der Kapazität des Gatekontaktes, der Induktivität der Leiterbahnen sowie der Kapazität zwischen Leiterbahnen und Substratoberseite. Die Integration von entsprechenden Widerständen im betreffenden Leistungshalbleiterbauelement oder die Anordnung zusätzlicher Widerstände vor jedem betreffenden Leistungshalbleiterbauelement, wie dies nach dem Stand der Technik üblich ist, kann auf diese Weise entfallen. Typische Widerstandwerte, mit welchen sich eine Eigenfrequenz des Gatekreises erzielen lässt, welche sich hinreichend von der Anregungsfrequenz, welche beispielsweise durch Schaltvorgänge gegeben ist, unterscheidet, liegt im Bereich zwischen 1 und 8 Ohm.
Eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, das die Gateleitungen auf der zwischen der zweiten Leitungsebene 24, 26 und der Substratoberfläche 16 angeordneten Isolierfolie angeordnet sind, wobei die Anordnung durch Aufdampfen oder Aufsputtern dünner TiW- und TiCu-Schichten realisiert ist. Für die erforderlichen Leitfähigkeiten und Widerstände hat sich eine Cu-Schichtdicke von etwa 200 nm bewährt. So lässt sich beispielsweise mit einer 200 nm dicken, 1 mm breiten und 1 cm langen Bahn ein Gatewiderstand von ca. 1 Ohm erzielen. Durch geeignete Veränderungen der Geometrie der Leiterbahn sind Werte im oben aufgeführten Widerstandsbereich und darüber hinaus realisierbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Anschlusspins für einen +/– Zwischenkreis entlang der Längsseiten des Leistungshalbleitermoduls angeordnet, wie dies anhand des Ausführungsbeispiels des Leistungshalbleitermoduls 100 in den 4 und 5 dargestellt ist. Das Leistungshalbleitermodul 100 ist aufgebaut aus drei Leistungshalbleitermodulen 1, dessen Aufbau schematisch in den 1 bis 3 dargestellt ist und weiter oben näher beschrieben wurde.
Weiterhin ist bei wenigstens einem Transistor bzw. IGBT 2, 4, 6, 8 die Kontaktierung des Emitters bei dem aus Gate und Emitter gebildeten Steuerkreis und bei dem aus Emitter und Kollektor gebildeten Laststromkreis über denselben Kontakt realisiert. Auf einen Hilfsemitter wird also bewusst verzichtet, was aufgrund der symmetrischen inneren Verdrahtung des Leistungshalbleitermoduls und der niedrigen vorherrschenden Induktivität möglich ist. Infolgedessen entsteht ein Stromkreis von + nach – im +/– Zwischenkreis und innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 100, welcher sehr niederinduktiv ist und symmetrisch verläuft.
Die niedrige Induktivität ergibt sich hierbei durch die breite Stromführung und die Rückführung direkt über dem flachen Leistungshalbleitermodul 100, beispielsweise auf einer darüber angeordneten Leiterplatte. Die Induktivität berechnet sich näherungsweise als Produkt aus Breite und Länge des Leistungshalbleitermoduls multipliziert mit der Induktionskonstante μ₀, wobei unter der Breite des Leistungshalbleitermoduls dessen längliche Ausdehnung von der Oberseite des Leistungshalbleitermoduls bis zum Höhenniveau der Leistungshalbleiterbauelemente zu verstehen ist. Ein typischer Wert für die auf dieser Weise erzielbaren Induktivitäten ist 10 nH.
Im Fall des Leistungshalbleitermoduls 100 aus den 4 und 5 sind die Anschlusspins für den +/– Zwischenkreis gebildet aus den positiven Anschlusspins 35 und 36 sowie den negativen Anschlusspins 40, 41 und 42. Ein üblicherweise vorgesehener Zwischenkreiskondensator könnte beispielsweise als schmaler, länglicher Block an einer der Längsseiten des Leistungshalbleitermoduls 100 angeordnet sein und z. B. an eine zweilagige Leiterplatte angeschlossen sein.
Bevorzugt sind auch die übrigen Anschlusspins des Leistungshalbleitermoduls, im Fall des Leistungshalbleitermoduls 100 aus den 4 und 5 die Anschlusspins für die Phase u, v, w, entlang der Seiten des Leistungshalbleitermoduls angeordnet.
Auf diese Weise ergibt sich im Innenbereich des Leistungshalbleitermoduls 100 über den Leistungshalbleiterbauelementen 2, 4, 6, 8, 10, 12 ein Freiraum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Teil eines Zwischenkreiskondensators im Leistungshalbleitermodul in dem beschriebenen Freiraum über den Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet, wobei dieser Teil des Zwischenkreiskondensators insbesondere quaderförmig ausgestaltet ist.
Diesen Sachverhalt illustriert 5, welche einen im beschriebenen Freiraum des Leistungshalbleitermoduls 100 über den Leistungshalbleiterbauelementen 2, 4, 6, 8, 10, 12 (vgl. 4) angeordneten Zwischenkreiskondensators 46 zeigt, welcher überdies quaderförmig ausgestaltet ist. Dies führt letztlich zu einer kompakten Bauform derart ausgestalteter Leistungshalbleitermodule.
Ermöglicht wird diese Bauform für Leistungshalbleitermodule dadurch, dass über den Leistungshalbleiterbauelementen 2, 4, 6, 8, 10, 12 entgegen dem Stand der Technik keine Bonddrähte mehr vorgesehen sind und die auf diesen Leistungshalbleiterbauelementen aufgebrachten Schichten bzw. Folien mechanisch robust und ausreichend passiviert sind, wobei die Schichten durch Laminationsverfahren oder die oben bereits erwähnten Auf dampf- oder Sputtertechniken hergestellt sein können. Infolgedessen kann in der Regel auf das Vergießen des Leistungshalbleitermoduls und das Vorsehen eines Deckels für das selbige verzichtet werden, so dass im Innenbereich des Leistungshalbleitermoduls ein Freiraum existiert, in welchem der Zwischenkreiskondensator angeordnet werden kann.
Der Zwischenkreiskondensator ist auf die geeignete Flächen des Leistungshalbleitermoduls aufgelötet oder mittels Drahtbonds mit dem Substrat und/oder Anschlusspins verbunden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht hingegen vor, dass der Zwischenkreiskondensator auf einer Leiterplatte angeordnet ist und diese Leiterplatte durch Auflöten und/oder Aufpressen des Zwischenkreiskondensators auf das Leistungshalbleitermodul mit diesem verbunden ist, wobei hierbei der Zwischenkreiskondensator ins Leistungshalbleitermodul hineinragt. 6 zeigt eine solche Anordnung im Querschnitt. Auf der Leiterplatte 44 ist der Zwischenkreiskondensator 46 angeordnet, welcher durch Auflöten oder Aufpressen mit dem Leis tungshalbleitermodul 100 verbunden ist. Dementsprechend ragt er in dieses Leistungshalbleitermodul 100 hinein. Selbstverständlich können alternativ oder ergänzend zum Zwischenkreiskondensator 46 auch andere Bauteile, welche mit der Leiterplatte 54 verbunden sind, in den Freiraum des Leistungshalbleitermoduls 100 hineinragen, beispielsweise Ansteuerungen.
Im in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der positiven Anschlusspins 35, 36, der negativen Anschlusspins 40, 41, 42 und von Gate-Anschlüssen g-hs-w, g-hs-v, g-hs-u mittels Verbindungen 60, 61, welche mit Bonddrähten oder geschweißten, insbesondere lasergeschweißten, oder gelöteten Bügeln realisiert sind. Bei der Verwendung von Bügeln kann überdies die Verbindung mittels Niedertemperaturverbindungstechniken (NTV) realisiert sein.
Wird, wie oben beschrieben, auf den Leistungshalbleiterbauelementen eine dicke zusammenhängende Metallisierung vorgesehen, so können die Bondlandepunkte überdies direkt auf den Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet sein, ohne dass bei den hiermit verbundenen Bond- bzw. Schweißvorgängen eine Zerstörung der Leistungshalbleiterbauelemente einhergeht. Bei den bislang bekannten Leistungshalbleitermodulen ist dies hingegen auf Grund von zu hohen Ausbeuteeinbußen nicht sinnvoll.
Die in der 5 gezeigten positiven und negativen Zuleitungen 48 bzw. 50 zum Zwischenkreiskondensator 46 sind ebenfalls in Form von Bonddrähten oder gelöteten Bügeln in der oben beschriebenen Weise ausgeführt.
Wie die 4 und 5 zeigen, liegen bei einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 100 eine große Anzahl von Anschlusspins 35, 36, 40, 41, 42, u, v, w, g-hs-u, g-hs-v, g-hs-w vor, die sehr breit und gleichmäßig verteilt sind. Dies bewirkt in Verbindung mit der über dem Leistungshalblei termodul 100 angeordneten Leiterplatte 54 (vgl. 6) eine breite Verteilung des Laststromes und des Stromes im Zwischenkreis. Infolgedessen können mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 100 deutlich höhere Stromstärken über das Leistungshalbleitermodul 100 und die zugehörige Leiterplatte (54) geführt werden. Beispielsweise erhöht sich bei Umrichtern, die Leiterplatten für die gesamte Verdrahtung verwenden, der zuführbare Strom um mehr als den Faktor 2.
Zur Stabilisierung der Verbindungen zu Anschlusspins, wie den Verbindungen 60 zu den Anschlusspins 35, 36, 40, 41, 42, u, v, w, g-hs-u, g-hs-v, g-hs-w im Fall des Leistungshalbleitermoduls 100 in den 5 und 6, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zumindest ein Teil der auf dem Leistungshalbleitermodul vorgesehenen Verbindungen zu Anschlusspins eingegossen ist.
Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung vor, dass auf dem Leistungshalbleitermodul zumindest ein Rahmen vorgesehen ist, welcher so dimensioniert und angeordnet ist, dass er die Verbindungen zumindest teilweise vor Berührung und mechanischer Schädigung schützt. Selbstverständlich sind hierfür nicht nur durchgehende Rahmen geeignet, sondern auch Rahmen, welche durch Rahmenabschnitte gebildet sind, die an Unterbrechungen des Rahmens grenzen. Derartige Unterbrechungen können beispielsweise dazu genutzt werden, um Verbindungen durch den Rahmen hindurchzuführen.
Derartige Rahmen 64, 65, 66 sind im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Rahmen 64, 65, 66 umgeben jeweils ein „Basis"-Leistungshalbleitermodul 1, welches Gegenstand der Darstellungen in den 1 bis 3 und der zugehörigen Beschreibung ist.

1: Leistungshalbleitermodul
2: IGBT
4: IGBT
6: IGBT
8: IGBT
10: Diode
12: Diode
14: Substrat
16: Substratoberfläche
20: erster Flächenabschnitt
22: zweiter Flächenabschnitt
24: Metallisierung in zweiter Leitungsebene
26: Metallisierung in zweiter Leitungsebene
30: Versorgungs-/Steuerleitung
32: magnetische Folie
33: magnetische Folie
35: positive Anschlusspins
36: positive Anschlusspins
40: negative Anschlusspins
41: negative Anschlusspins
42: negative Anschlusspins
46: Zwischenkreiskondensator
48: positive Zuleitungen
50: negative Zuleitungen
54: Leiterplatte
60: Verbindungen zu Anschlusspins
64: Rahmen
65: Rahmen
66: Rahmen
69: Leistungshalbleitermodul
70: IGBT 100A
79: Leistungshalbleitermodul
80: IGBT 25A
82: IGBT 25A
84: IGBT 25A
86: IGBT 25A
100: Leistungshalbleitermodul
u: Anschlusspins für Phase
v: Anschlusspins für Phase
w: Anschlusspins für Phase
g-hs-u: Gateanschluss
g-hs-v: Gateanschluss
g-hs-w: Gateanschluss

Claims

Leistungshalbleitermodul (1) mit auf einem Substrat (14) angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (2, 4, 6, 8, 10, 12), wobei wenigstens ein Teil der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) elektrisch parallel geschaltet und symmetrisch auf dem Substrat (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) eine zweite Leitungsebene (24, 26) vorgesehen ist, welche elektrisch isoliert von der Substratoberfläche (16) oberhalb der der Substratoberfläche (16) abgewandten Oberflächen der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8; 10, 12) identisch sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Leistungshalbleiterbauelementen (2, 4, 6, 8, 10, 12) zugewandte Substratoberfläche (16) in zwei Flächenabschnitte (20, 22) unterteilt ist, welche elektrisch leitend ausgeführt sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabschnitte (20, 22) mittels Reihenschaltung miteinander elektrisch leitend in Halbbrückenschaltung verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf den der Substratoberfläche (16) abgewandten Oberflächen der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) jeweils Kontaktflächen für Versorgungs- und Steuerleitungen (30) der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) vorgesehen sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einander entsprechende Versorgungs- und Steuerleitungen (30) parallel geschalteter Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8; 10, 12) jeweils durch eine zusammenhängende Metallisierung (24, 26) verbunden sind, insbesondere durch eine Metallisierung (24, 26) mit einer Dicke in einem Bereich von 20 μm bis 1 mm.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Struktur der zusammenhängenden Metallisierungen (24, 26) derart gestaltet ist, dass die Entstehung parasitärer Schwingungen, insbesondere von parasitären Schwingungen mit Frequenzen über 100 MHz, unterdrückt ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolierung der zweiten Leitungsebene (24, 26) von der Substratoberfläche (16) zwischen diesen wenigstens eine Isolierfolie mit magnetischen Bestandteilen angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Substratoberfläche (16) abgewandten Seite der zweiten Leitungsebene (24, 26) wenigstens eine die zweite Leitungsebene (24, 26) zumindest teilweise überdeckende magnetische Folie (32, 24) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leistungshalbleiterbauelemente (2, 4, 6, 8, 10, 12) Transistoren (2, 4, 6, 8) sind, insbesondere bipolare Transistoren mit isoliertem Gate.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Gate-Kontakte mittels schmalen, dünnen Leiterbahnen (30) miteinander verbunden ist, wobei diese Leiterbahnen (30) in ihrer Länge, Breite und Dicke so bemessen sind, dass vor jedem mit diesen Leiterbahnen (30) kontaktierten Transistoren (2, 4, 6, 8) ein verteilter Widerstand mit einem Widerstandswert > 0,1 Ohm gegeben ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Transistor (2, 4, 6, 8) die Kontaktierung des Emitters bei dem aus Gate und Emitter gebildeten Steuerkreis und bei dem aus Emitter und Kollektor gebildeten Laststromkreis über denselben Kontakt realisiert ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlusspins (35, 36, 40, 41, 42) für einen +/– Zwischenkreis entlang der Längsseiten des Leistungshalbleitermoduls (100) angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Anschlusspins (u, v, w) an den Seiten des Leistungshalbleitermoduls (100) angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil eines Zwischenkreiskondensators (46) im Leistungshalbleitermodul (100) über den Leistungshalbleiterbauelementen (2, 4, 6, 8, 10, 12) angeordnet ist, wobei dieser Teil des Zwischenkreiskondensators (46) insbesondere quaderförmig ausgestaltet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (46) auf einer Leiterplatte (54) angeordnet ist und diese Leiterplatte (54) durch Auflöten und/oder Aufpressen des Zwischenkreiskondensators (46) auf das Leistungshalbleitermodul (100) mit diesem verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der auf dem Leistungshalbleitermodul (100) vorgesehenen Verbindungen (60) zu Anschlusspins (35, 36, 40, 41, 42) eingegossen ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Leistungshalbleitermodul (100) zumindest ein Rahmen (64, 65, 66) vorgesehen ist, welcher so dimensioniert und angeordnet ist, dass er die Verbindungen (60) zumindest teilweise vor Berührung und mechanischer Schädigung schützt.