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Die
Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement und
mindestens einem weiteren elektronischen Bauteil sowie ein Verfahren
zur Herstellung des Leistungshalbleiterbauteils.
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Bei
Halbleiterbauteilen sowie Leistungshalbleiterbauteilen ist im Allgemeinen
eine erhöhte
Leistung in zunehmend kleineren Bauteilgehäusen gewünscht. Dieser Bedarf führt zu zunehmender
Wärmeerzeugung
in den Gehäusen.
Wenn diese Wärme nicht
ausreichend verteilt wird, kann die hohe Betriebstemperatur zu Instabilität und sogar
zum Ausfall des Bauteils führen.
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Um
die Wärmeabfuhr
zu verbessern, ist es möglich
das Halbleiterbauelement in ein größeres Gehäuse einzubauen, bei dem die
Wärmeabfuhr durch
die größere Fläche des
Flachleiterrahmens des Bauteils verbessert wird. Ein größeres Gehäuse ist
jedoch bei den Kunden nicht gewünscht.
Alternativ kann ein zusätzlicher
externer Kühlkörper auf
dem Bauteil montiert werden. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil,
dass die Montage des Bauteils für
den Kunden komplizierter wird und die Größe des Gesamtbauteils zunimmt.
Außerdem
werden die Gesamtkosten durch den zusätzlichen Kühlkörper sowie den Montageaufwand
erhöht.
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Die
DE 10 2004 030 042
A1 offenbart ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 mit einem Halbleiterchip, dessen Source-Kontakt
und Gate-Kontakt
auf zwei getrennten Chipträgerteilen
montiert sind.
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Die
US 2004/0130007 A1 offenbart ein Halbleiterbauteil, bei dem der
Halbleiterchip auf inneren Enden eines Flachleiterrahmens montiert
ist.
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Die
DE 103 03 932 A1 offenbart
ein elektronisches Leistungsmodul, bei dem ein Siliziumkarbid-Leistungschip
auf der Oberseite eines Silizium-Leistungschips angeordnet ist.
Die Oberseite des Silizium-Leistungschips weist eine Emitterelektrode, auf
der der Siliziumkarbidchip montiert ist, und eine isolierte Gate-Elektrode
auf.
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Die
US 6,555,917 offenbart ein
Halbleiterbauteil mit einem Flachleiterrahmen, auf dessen Chipträger ein
Stapel aus zwei Halbleiterchips angeordnet ist.
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Die
US 5,532,512 offenbart einen
Stapel aus zwei vertikalen Transistoren, die eine Halbbrückenschaltung
vorsehen.
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Es
besteht somit Bedarf, ein Leistungshalbleiterbauteil anzugeben,
das eine verbesserte Leistung bzw. eine verbesserte Wärmeabfuhr
hat, und das einfach auf eine Leiterplatte, insbesondere bei den
Kunden montiert werden kann.
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Gelöst ist dies
durch den Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß weist
ein Leistungshalbleiterbauteil einen Flachleiterrahmen, mindestens
ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement, mindestens ein weiteres
elektronisches Bauteil und eine Kunststoffgehäusemasse auf.
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Der
Flachleiterrahmen weist einen Chipträger und mehrere Flachleiter
auf. Der Chipträger
weist mindestens zwei getrennte Teile auf. Das vertikale Leistungshalbleiterbauelement
weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Mindestens eine
erste Kontaktfläche
und mindestens eine Steuerungskontaktfläche sind auf der ersten Seite
angeordnet und eine zweite Kontaktfläche ist auf der zweiten Seite angeordnet.
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Die
erste Kontaktfläche
ist auf dem ersten Teil des Chipträgers angeordnet und mit dem
ersten Teil des Chipträgers
elektrisch verbunden und die Steuerungskontaktfläche ist auf dem zweiten Teil
des Chipträgers
angeordnet und mit dem zweiten Teil des Chipträgers elektrisch verbunden.
Mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil ist auf der zweiten Kontaktfläche des
vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet.
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Die
Kunststoffgehäusemasse
bettet zumindest das Leistungshalbleiterbauelement und eine obere
Oberfläche
des Chipträgers
ein und lässt
zumindest eine untere Oberfläche
des ersten Teils des Chipträgers
frei. Die Kunststoffgehäusemasse
weist eine untere äußere Oberfläche auf,
die mit zumindest der unteren Oberfläche des ersten Teils des Chipträgers eine
gemeinsame äußere Oberfläche des
Leistungsbauteils bildet.
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Erfindungsgemäß ist das
Leistungshalbleiterbauelement so ausgebildet, dass die untere Oberfläche des
ersten Teils des Chipträgers
eine Massekontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauteils vorsieht.
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Das
vertikale Leistungshalbleiterbauelement ist erfindungsgemäß auf dem
Flachleiterrahmen montiert, so dass die erste Seite dem Chipträger zugewandt
ist. Erfindungsgemäß ist das
vertikale Leistungshalbleiterbauelement so ausgebildet, dass nach
seiner Montage auf dem Chipträger,
der erste Teil des Chipträgers
die Massekontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauteils vorsieht. Durch diese Maßnahme kann
das Halbleiterbauteil direkt über dem
ersten Teil des Chipträgers
auf einer Leiterplatte montiert werden, ohne dass die Leiterplatte
mit hohen Spannungen beschaltet wird und zusätzliche elektrische Verluste
generiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung hat die Folge,
dass eine elektrische Isolationsschicht zwischen dem Chipträger und
der Leiterplatte oder die Verwendung eines Bauteilgehäuses mit
einem voll verkapselten Chipträger
vermieden werden kann.
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Dadurch
wird der Wärmeabfuhrpfad
des Bauteils reduziert, der thermische Widerstand des Bauteils verkleinert
und folglich die Zuverlässigkeit des
Bauteils verbessert. Ferner wird die Montage des Bauteils vereinfacht,
da das erfindungsgemäße Bauteil
direkt auf der Leiterplatte ohne eine zusätzliche externe elektrische
Isolationsschicht montiert werden kann.
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Das
Leistungshalbleiterbauelement kann zum Beispiel ein vertikaler n-Kanal-Leistungstransistor
sein, bei dem die Source-Elektrode
und die Gate-Elektrode auf einer Seite des Transis tors angeordnet
ist. Bei dieser Art von Transistoren liegt bei normalem Betrieb
die Source-Elektrode auf Masse, d.h. 0 V. Der Transistor kann somit
auf dem Chipträger
angeordnet sein, so dass die Source-Elektrode mit dem ersten Teil
des Chipträgers
elektrisch verbunden ist und das erste Chipträgerteil die Massekontaktfläche des
Bauteils ist.
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Ein
vertikales Leistungshalbleiterbauteil, bei dem die Steuerungskontaktfläche und
eine weitere Kontaktfläche
dem Flachleiterrahmen zugewandet sind, ist zum Beispiel aus der
DE 10 2004 021 054
A1 bekannt. Die erfindungsgemäße Ausbildung sowie die erfindungsgemäße Anordnung
des Leistungshalbleiterbauelements auf dem Chipträger führt jedoch
zu den zusätzlichen
Merkmalen, dass die untere Oberfläche des ersten Teils des Chipträgers die Massekontaktfläche des
Bauteils vorsieht. Durch diese Anordnung wird die Wärmeabfuhr
des Bauteils verbessert.
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Das
erfindungsgemäße Leistungshalbeiterbauteil
weist ferner mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil auf,
das auf der zweiten Kontaktfläche
des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Die
zweite Kontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauelements ist dem Chipträger abgewandt.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil
weist somit gestapelte Bauelemente auf, wobei das elektronische
Bauteil weiter von dem Chipträger
entfernt liegt. Die Eigenschaften von vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen
sind von der Bauelementgröße bzw.
Bauelementfläche
abhängig.
Die erfindungsgemäße gestapelte
Anordnung hat den Vorteil, dass die Fläche des Bauteilgehäuses besser ausgenutzt
werden kann, da das Leistungshalbleiterbauelement eine Fläche aufweisen
kann, die der Fläche
des Gehäuses
bzw. des Chipträgers
entspricht. Folglich können
die Eigenschaften des vertikalen Leistungshalbleiterbauteils erhöht werden,
da das weitere elektronische Bauteil keinen Platz auf dem Chipträger besetzt.
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Die
Leistung des Halbleiterbauteils wird erhöht, ohne dass die Größe des Bauteilgehäuses erhöht wird.
Wegen der erfindungsgemäßen Anordnung
der Bauteilmassekontaktfläche
werden die thermischen Eigenschaften des Bauteils gleichzeitig auch
verbessert.
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Das
vertikale Leistungshalbleiterbauelement kann ein Leistungstransistor
sein und kann ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor), ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) sein.
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Bei
einem MOSFET-Leistungshalbleiterbauelement ist die erste Kontaktfläche eine
Source-Elektrode, die Steuerungskontaktfläche eine Gate-Elektrode und
die zweite Kontaktfläche
eine Drain-Elektrode. Bei einem IGBT-Leistungshalbleiterbauelement
ist die erste Kontaktfläche
eine Emitter-Elektrode, die Steuerungskontaktfläche eine Gate-Elektrode und
die zweite Kontaktfläche
eine Kollektor-Elektrode.
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Insbesondere
kann das MOSFET ein n-Kanal MOSFET sein. Ein n-Kanal MOSFET weist Halbleitermaterial
eines n-Leitungstyps auf. Die erste Kontaktfläche liegt auf Masse, d.h. 0
V und die zweite Kontaktfläche
liegt auf einem hohen Potential.
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Das
IGBT kann ein n-Kanal IGBT sein. Ein n-Kanal IGBT weist Halbleitermaterial
eines n-Leitungstyps auf. Die erste Kontaktfläche liegt auf Masse, d.h. 0
V und die zweite Kontaktfläche
liegt auf einem hohen Potential.
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Das
weitere elektronische Bauteil kann ein Steuerungshalbleiterchip
oder ein passives Bauteil, wie zum Beispiel ein Kondensator, ein
Widerstand oder ein Induktor sein. Das erfindungsgemäße Leistungshableiterbauteil
kann somit verschiedene Schaltungen aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das elektronische Bauteil eine vertikale Diode,
die eine erste Seite mit einer Anode und eine zweite Seite mit einer
Kathode aufweist. Die Diode kann mit der zweiten Kontaktfläche des
vertikalen Leistungshalbleiterbauelements über eine elektrisch leitende
Schicht elektrisch verbunden werden. Mit entsprechenden weiteren
elektrischen Verbindungen wird der Aufbau einer gewünschten
Schaltung innerhalb des Bauteilsgehäuses ermöglicht. Das Leistungshalbleiterbauteil
kann somit ein Modul sein.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Kathode der Diode auf der zweiten Kontaktfläche der
zweiten Seite des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet
und mit der zweiten Kontaktfläche über die
elektrisch leitende Schicht elektrisch verbunden. Die Diode kann
parallel mit dem Leistungshalbleiterbauelement geschaltet sein.
Dazu können
eine oder mehrere elektrische Verbindungen zwischen der Anode der
Diode und der ersten Kontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet sein. Die elektrischen
Verbindungen können sich
zwischen der Anode und dem ersten Teil des Chipträgers und
zwischen der zweiten Kontaktfläche des
Leistungshalbleiterbauelements und einem weiteren Flachleiter erstrecken,
um die Diode mit dem Leistungshalbleiterbauelement parallel zu schalten.
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Die
Diode ist in einer Ausführungsform
der Erfindung als freilaufende Diode geschaltet. Das Leistungshalbleiterbauteil
kann somit einen vertikalen MOSFET oder IGBT-Transistor mit einer
darauf angeordneten freilaufenden Diode aufweisen. Das Leistungshalbleiterbauteil
sieht ein Schaltungselement vor, das zusammen mit mehreren dieser
Schaltungselementen zu einer Halbbrücke oder eine Vollbrücke aufgebaut
werden kann, um beispielsweise einen angeschlossenen Motor zu steuern.
Auf Grund der erfindungsgemäße Anordnung
des MOSFETS und der Massekontaktfläche ist die Wärmeabfuhr und
die Zuverlässigkeit
des Bauteils auch bei Bauteilen, die mehrere dieser Schaltungselemente
aufweisen, erhöht
und die Montage des Bauteils auf einer übergeordneten Leiterplatte
oder Platine vereinfacht.
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Die
elektrisch leitende Schicht, die die Diode mit der zweiten Kontaktfläche sowie
die erste Kontaktfläche
des Leitungshalbleiterbauelements mit dem ersten Teil des Chipträgers sowie
die Steuerungskontaktfläche
mit dem zweiten Teil des Chipträgers
verbindet, kann jeweils eine Diffusionslotverbindung aufweisen.
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Die
Diffusionslotverbindung kann eine Sn-basierende Diffusionslotschicht
aufweisen, die Au und Sn, Ag und Sn oder Cu und Sn aufweist, oder
Ag und In aufweisen. Nach der Herstellung der Diffusionslotverbindung
weist die Verbindung intermetallische Phasen auf, die das Produkt
des Diffusionslots und des Materials der benachbarten Oberfläche sind.
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Ein
Diffusionslot hat den Vorteil, dass die hergestellte Diffusionslotverbindung
eine höhere Schmelztemperatur
aufweist als die Temperatur, bei der sie hergestellt wurde. Folglich kann
die Montage bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt werden, als
die Schmelztemperatur der hergestellten Verbindung. Eine Diffusionslotverbindung
hat den weiteren Vorteil, dass danach weitere Diffusionslotverfahren durchgeführt werden
können,
ohne dass die bereits hergestellten Verbindungen wieder schmelzen.
Diffusionslot ist somit für
Module und gestapelte Bauteile, die jeweils mehrere Halbleiterkomponente
aufweisen, geeignet.
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Ein
Au und Sn-basierendes Diffusionslot weist eine Schmelz- bzw. Herstellungstemperatur von
ungefähr
280°C, ein
Ag und Sn- basierendes
Diffusionslot von ungefähr
221°C und
ein Ag und In-basierendes Diffusionslot von ungefähr 141°C auf.
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Diffusionslote
mit niedrigeren Schmelztemperaturen haben den Vorteil, dass während des
Lötverfahrens
die Belastung des Halbleiterbauelements reduziert wird.
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Die
Diffusionslotverbindung kann zumindest eine Kontaktschicht und eine
Diffusionslotschicht aufweisen, wobei die Kontaktschicht auf der
erste Seite des Leistungshalbleiterkörper angeordnet ist. Die Kontaktschicht
kann im Wesentlichen aus Ti, Ni oder Cr bestehen und sieht einen
niederohmigen Kontakt zu dem Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements vor.
Die Diffusionslotschicht kann ein Sn-basierendes Diffusionslot aufweisen.
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Eine
weitere Schicht zur Veredlung kann direkt zwischen der Kontaktschicht
und der Diffusionslotschicht angeordnet sein und kann eines der
Elemente Ni, Au, Ag, Pt und Pd oder eine Legierung davon aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
besteht die Diffusionslotschicht aus drei Schichten. Eine Kontaktschicht
ist direkt auf dem Halbleiterkörper
des Halbleiterbauelements angeordnet, eine Diffusionssperrschicht
ist direkt auf der Kontaktschicht angeordnet und die Diffusionslotschicht
ist direkt auf der Diffusionssperrschicht angeordnet.
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Die
Kontaktschicht sieht einen niederohmigen Kontakt zu dem Halbleiterkörper des
Halbleiterbauelements vor. Die Diffusionssperrschicht verhindert
eine Reaktion zwischen dem Material der Kontaktschicht und dem Material
der Diffusionslotschicht. Solch eine Reaktion ist nachteilig, da
sich die Zusammensetzung der beiden Schichten ändert. Dies führt zu einer Änderung
der Eigenschaften der Schichten, zum Beispiel dem Kontaktwiderstand
bzw. der Schmelztemperatur und zu unzuverlässigen elektrischen Eigenschaften
und einer unzuverlässigen
Verbindung.
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Die
Kontaktschicht kann im Wesentlich aus Aluminium bestehen, da Al
einen niederohmigen Kontakt mit Silizium bildet. Die Diffusionssperrschicht kann
im Wesentlich aus Titan bestehen oder eine erste Schicht aus Titan
und eine zweite Schicht aus TiNx. Die Diffusionslotschicht
kann ein Sn-basierendes Diffusionslot aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die erste Kontaktfläche mehrere Kontakthöcker auf,
die auf der ersten Kontaktfläche
angeordnet sind. Die Kontakthöcker
sind von einander getrennt und sind elektrisch leitend. Die mechanische und
elektrische Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche und
dem ersten Teil des Chipträgers
erfolgt somit über
eine Vielzahl von getrennten Stellen. Diese Anordnung hat den Vor teil,
dass ein kleinerer Anteil an der erzeugten Wärme in dem Chipträger und folglich
in die Leiterplatte fließt.
Benachbarte Komponenten auf der Leiterplatte werden somit durch
diese Wärme
weniger erwärmt
und ihre Funktionalität
wird dadurch nicht beeinträchtigt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der erste Teil des Chipträgers dicker als der zweite Teil
des Chipträgers.
Die untere Oberfläche
des zweiten Teils des Chipträgers
ist in der Kunststoffgehäusemasse
eingebettet, während
der untere Oberfläche
des ersten Teils des Chipträgers
frei von der Kunststoffgehäusemasse
bleibt. In dieser Ausführungsform
ist die untere Oberfläche
des zweiten Chipträgerteils über der
Kunststoffmasse elektrisch isoliert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weisen der erste teil und der zweite Teil des Chipträgers im
Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Die untere Oberfläche des
zweiten Teils des Chipträgers
ist in dieser Ausführungsform
frei von der Kunststoffmasse. Die untere Oberfläche des zweiten Teils des Chipträgers bildet
mit der unteren Oberfläche des
ersten Teils des Chipträgers
und mit der unteren äußeren Oberfläche der
Kunststoffgehäusemasse eine
gemeinsame äußere Oberfläche des
Leistungshalbleiterbauteils. Die untere Oberfläche des zweiten Teils des Chipträgers kann
somit eine äußere Kontaktfläche des
Leistungshalbleiterbauteils vorsehen.
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Das
erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil
kann einen Flachleiterrahmen mit verschiedenen Anordnungen aufweisen.
In einer Ausführungsform
sind die Flachleiter an einer Seite des Chipträgers angeordnet. In einer weiteren
Ausführungsform erstreckt
sich ein Flachleiter aus dem zweiten Teil des Chipträ gers und
ragt aus der Kunststoffgehäusemasse
heraus. Die Steuerungskontaktfläche
ist auf dem zweiten Teil des Chipträgers montiert und mit diesem
Flachleiter elektrisch verbunden. Der äußere Teil des Flachleiters
sieht somit den Steuerungskontaktanschluss des Bauteils vor. Da
der Steuerungsflachleiter aus dem zweiten Teil des Chipträgers herausragt,
kann innerhalb des Gehäuses
auf weitere elektrische Verbindungen zwischen dem zweiten Chipträgerteil
und dem Steuerungskontaktanschluss verzichtet werden. Dies vereinfacht
den Aufbau des Bauteils und kann die Länge der Steuerungsleitung verkürzen.
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Ein
oder mehrere Flachleiter können
auch aus dem ersten Chipträgerteil
herausragen. Diese Anordnung vereinfacht die Kontaktierung der ersten Kontaktfläche des
Leistungshalbleiterbauelements. Wenn eine Diode auf der zweiten
Kontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet und parallel mit dem
Leistungshalbleiterbauelement geschaltet ist, kann die Diode auch über diese
herausragenden Flachleiter kontaktiert werden.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Flachleiter jeweils eine Außenkontaktfläche auf,
die mit der unteren Oberfläche
des ersten Teils des Chipträgers im
Wesentlichen koplanar ist. Die Außenkontaktfläche der
Flachleiter kann in der unteren Oberfläche der Kunststoffgehäusemasse
liegen. Diese Anordnung sieht ein oberflächenmontierbares Bauteilgehäuse vor.
Alternativ können
die Flachleiter aus einer oder aus mehreren Seitenwänden des
Gehäuses
herausragen und ein Gehäuse
mit Beinchen oder Pins vorsehen. Das Gehäuse kann somit verschiedene Formen
aufweisen und kann bekannte Formen haben, wie zum Beispiel ein TO252-
oder ein TO220-Gehäuse.
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Die
Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Herstellen des Leitungshalbleiterbauteils
an, das folgende Schritte aufweist. Zunächst wird ein Flachleiterrahmen,
mindestens ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement sowie mindestens
ein weiteres elektronisches Bauteil bereitgestellt.
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Der
Flachleiterrahmen weist einen Chipträger und mehrere Flachleiter
auf. Der Chipträger
weist mindestens zwei getrennte Teile auf. Das vertikale Leistungshalbleiterbauelement
weist eine erste Seite auf, auf der mindestens eine erste Kontaktfläche und mindestens
eine Steuerungskontaktfläche
angeordnet sind, und eine zweite Seite, auf der eine zweite Kontaktfläche angeordnet
ist.
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Die
erste Kontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauteils wird auf dem ersten Teil des Chipträgers unter
Bilden einer elektrischen Verbindung und die Steuerungskontaktfläche auf
dem zweiten Teil des Chipträgers
unter Bilden einer elektrischen Verbindung montiert. Danach wird
mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil auf der zweiten Kontaktfläche des
vertikalen Leistungshalbleiterbauelements montiert.
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Zumindest
das Leistungshalbleiterbauelement und die obere Oberfläche des
Chipträgers
werden in einer Kunststoffgehäusemasse
eingebettet, wobei eine untere Oberfläche des ersten Teils des Chipträgers frei
von der Kunststoffgehäusemasse bleibt.
Die Kunststoffmasse weist eine untere äußere Oberfläche auf, die mit der unteren
Oberfläche
des ersten Teils des Chipträgers
eine gemeinsame äußere Oberfläche des
Leistungsbauteils bildet.
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Das
Leistungshalbleiterbauelement wird so ausgebildet, dass die untere
Oberfläche
des ersten Teils des Chipträgers
eine Massekontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauteils vorsieht.
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In
einer Durchführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird als weiteres elektronisches Bauteil eine vertikale Diode mit
einer ersten Seite und einer zweiten Seite bereitgestellt. Die erste Seite
der Diode weist eine Anode und die zweite Seite der Diode eine Kathode
auf.
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Die
Diode kann während
ihrer Montage mit der zweiten Kontaktfläche des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements über eine
elektrisch leitende Schicht elektrisch verbunden werden.
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In
einer Durchführungsform
der Erfindung wird die Kathode der Diode auf der zweiten Kontaktfläche der
zweiten Seite des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet
und mit der zweiten Kontaktfläche über die
elektrisch leitende Schicht elektrisch verbunden.
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In
einer weiteren Durchführungsform
wird ein MOSFET oder ein IGBT als Leistungshalbleiterbauelement
bereitgestellt und die Diode parallel mit dem Leistungshalbleiterbauelement
geschaltet. Die Diode kann als freilaufende Diode geschaltet werden.
Dazu werden weitere elektrische Verbindungen zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement
und dem Flachleiterrahmen und zwischen der Diode und dem Flachleiterrahmen
erzeugt, die die gewünschte
Schaltung vorsehen. Die elektrische Verbindungen können Bonddrähte oder
dünne Folien
sein.
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Die
Diode kann mittels Diffusionslot oder Weichlot auf der zweiten Kontaktfläche montiert
werden.
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In
einer weiteren Durchführungsform
werden mehrere Kontakthöcker
auf der ersten Kontaktfläche des
Leistungshalbleiterbauelements aufgebracht. Die Kontakthöcker können mittels
galvanischer Abscheidung oder Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht
werden. Eine Diffusionslotschicht kann auf der äußeren Oberfläche der
Kontakthöcker
aufgebracht werden, so dass die Kontakthöcker mittels eines Diffusionslotverfahrens
auf dem ersten Teil des Chipträgers
montiert werden können.
Vor der Abscheidung der Diffusionslotschicht kann eine weitere Diffusionssperrschicht
auch auf den Kontakthöckern
aufgebracht werden.
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Die
erste Kontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauelements kann mit dem ersten Teil des
Chipträgers
und die Steuerungskontaktfläche
des Leistungshalbleiterbauelements mit dem zweiten Teil des Chipträgers jeweils
mittels Diffusionslot elektrisch verbunden werden. Dieses Verfahren
kann durch das Aufheizen des Chipträgers auf eine Temperatur, die größer als
die Schmelztemperatur des Diffusionslots ist, durchgeführt werden.
Danach wird die äußere Oberfläche der
ersten Kontaktfläche
auf dem ersten Teil des Chipträgers
und die Steuerungskontaktfläche
auf dem zweiten Teil des Chipträgers
gedruckt. Durch die erhöhte
Temperatur und den ausgeübten Druck
werden intermetallische Phasen in der Diffusionslotschicht erzeugt.
Diese intermetallischen Phasen weisen eine höhere Schmelztemperatur als
die Schmelztemperatur des Diffusionslots auf. Folglich wird die
mechanische Verbindung sowie die elektrische Verbindung durch das
Erstarren der Grenze zwischen der ersten Kontaktfläche bzw.
der Steuerungskontaktfläche
und dem entsprechenden Teil des Chipträgers erzeugt.
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In
einer Durchführungsform
der Erfindung ist der erste Teil des Chipträgers dicker als der zweite Teil
des Chipträgers.
Die untere Oberfläche
des zweiten Teils des Chipträgers
wird in der Kunststoffgehäusemasse
eingebettet.
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In
einer weiteren Durchführungsform
der Erfindung bleibt die untere Oberfläche des zweiten Teils des Chipträgers frei
von der Kunststoffmasse und bildet mit der unteren Oberfläche des
ersten Teils des Chipträgers
und mit der unteren äußeren Oberfläche der
Kunststoffgehäusemasse
eine gemeinsame äußere Oberfläche des
Leistungshalbleiterbauteils bildet.
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Zusammenfassend
lässt sich
mittels der so genannten Flipchip Montage eines vertikalen Transistors
das Vorderseitenpotential des Transistors auf den Chipträger bringen.
Da erfindungsgemäß das Leistungshalbleiterbauelement
so ausgebildet ist, dass der erste Teil des Chipträgers auf
Masse liegt und die Massekontaktfläche des Leistungshalbleiterbauteils
vorsieht, ist ein nicht isolierendes Leistungsgehäuse bzw.
eine nicht isolierende Applikationsmontage ermöglicht, ohne zusätzlich elektrische
Verluste zu generieren.
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Gleichzeitig
hat die Anordnung eines Flipchip-Leistungstransistors
und einer darauf angeordneten Freilauf-Diode den Vorteil, dass die maximale Chipfläche des
Transistors nicht mehr von der Diodenchipfläche abhängig ist, und die Fläche eines
Einzelchipbauelements betragen kann.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine Draufsicht eines Leistungshalbleiterbauteils nach einer ersten
Ausführungsform der
Erfindung,
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2 zeigt
einen Querschnitt des Leistungshalbleiterbauteils der 2,
und
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3 zeigt
einen Querschnitt eines Leistungshalbleiterbauteils nach einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Draufsicht eines Leistungshalbleiterbauteils 1 mit
einem vertikalen Leistungshalbleiterbauelement 2, und einer
freilaufenden Diode 3 nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. Das Leistungshalbleiterbauelement 2 ist
ein vertikales Leistungs-IGBT-Bauelement des n-Leitungstyps.
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Das
Leistungshalbleiterbauteil 1 weist ferner einen Flachleiterrahmen 4 auf,
der einen Chipträger 5 und
drei Flachleiter 6 aufweist. Der Flachleiterrahmen 4 besteht
im Wesentlichen aus Kupfer. Der Gesamtchipträger 5 ist ungefähr rechteckig
und besteht aus zwei getrennten Teilen 7, 8, die
in einer lateralen Richtung nebeneinander angeordnet sind. Das erste Chipträgerteil 7 ist
ungefähr
doppelt so breit wie das zweite Chipträgerteil 8 und vom
zweiten Chipträgerteil 8 durch
einen senkrecht zu einer Längsseite 9 des
Gesamtchipträgers 5 Kanal
mechanisch getrennt.
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Die
drei Flachleiter 6 sind an einer der Längsseiten 9 des Gesamtchipträgers 5 angeordnet. Ein
erster Flachleiter 10 ragt aus dem ersten Chipträgerteil 7 heraus,
ist ungefähr
in der Mitte der Längsseite 9 des
Gesamtchipträgers 5 angeordnet
und erstreckt sich ungefähr
senkrecht zu der Längsseite 9 des
Chipträgers 5.
Ein zweiter Flachleiter 11 ragt aus dem zweiten Chipträgerteil 8 heraus
und ist an einer Seite des ersten Flachleiters 10, an der
rechten Seite in der Sicht der 1, angeordnet.
Ein dritter Flachleiter 12 ist an der gegenüberliegenden
Seite des ersten Flachleiters 10 angeordnet und ist neben
dem ersten Chipträgerteil 7 angeordnet.
Das innere Ende 13 des dritten Flachleiters 12 ist
von der Längsseite 9 des
Chipträgers 5 distanziert
und steht nicht mit dem Chipträger 5 in
Verbindung. Das innere Ende 13 erstreckt sich parallel
zur Längsseite 9 in
Richtung des ersten Flachleiters 10. Diese Fläche 14 sieht
somit eine Kontaktfläche 14 vor.
Die äußeren Bereiche 15 der
drei Flachleiter 10, 11, 12 sind ungefähr parallel
zueinander angeordnet und sehen jeweils einen Außenkontaktanschluss des Leistungshalbleiterbauteils 1 vor.
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Das
IGBT-Bauelement 2 weist eine erste Seite 16 und
eine gegenüberliegende
zweite Seite 17 auf. Die erste Seite 16 weist
eine Emitter-Elektrode 18 und eine Gate-Elektrode 19 auf,
die von einander getrennt sind. Das IGBT-Bauelement 2 ist
lateral rechteckig und ist auf den zwei Teilen 7, 8 des
Chipträges 5 angeordnet.
Das IGBT-Bauelement 2 erstreckt sich über dem Abstand oder Kanal
zwischen den zwei Teilen 7, 8. Die Emitter-Elektrode 18 ist
auf dem ersten Chipträgerteil 7 angeordnet
und mit dem ersten Chipträgerteil 7 über eine
in 1 nicht gezeigte Diffusionslotschicht elektrisch
verbunden. Die Gate-Elektrode 19 ist
auf dem zweiten Chipträgerteil 8 angeordnet
und mit dem zweiten Chipträgerteil 7 über eine
in 1 nicht gezeigte Diffusionslotschicht elektrisch
verbunden. Die erste Seite 16 des IGBT-Bauelements 2 ist
somit dem Chipträger 5 zugewandt.
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Die
zweite Seite 17 des IGBT-Bauelements 7 weist eine
Kollektor-Elektrode 20 auf und ist dem Chipträger abgewandt.
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Das
IGBT-Bauelement 2 ist der n-Leitungstyp und folglich ist
die Emitter-Elektrode 18 die Masseelektrode des Bauelements 2.
Die Kollektor-Elektrode 20 sieht somit die Hochspannungselektrode
des Bauelements 2 vor. Das IGBT-Bauelement 2 ist
somit so ausgebildet, dass das erste Chipträgerteil 7 und der
herausragende Flachleiter 10 auf Massepotential liegen
und Massekontaktflächen
des Leistungshalbleiterbauteils 1 vorsehen.
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Die
Diode 3 weist eine erste Seite 21 auf, auf der
eine Kathode 22 angeordnet ist und eine gegenüberliegende
zweite Seite 23, auf der eine Anode 24 angeordnet
ist. Die Diode 3 ist auf der Kollektor-Elektrode 20 angeordnet
und mit der Kollektor-Elektrode 20 über eine
elektrisch leitende Schicht 41 elektrisch verbunden.
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Ferner
weist das Leistungshalbleiterbauteil 1 Bonddrähte auf,
die das IGBT-Bauelement 2, die Diode 3 und die
Flachleiter 6 elektrisch verbinden, um die Schaltung des
Leistungshalbleiterbauteils 1 zu bilden.
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Die
Diode 3 ist als eine freilaufende Diode bestimmt. Folglich
erstrecken sich zwei Bonddrähte 25 zwischen
der Kollektor-Elektrode 20 und
der Kontaktfläche 14 des
dritten Flachleiters 12. Die Bonddrähte 25 verbinden nicht
nur die Kollektor-Elektrode 18 mit
dem dritten Flachleiter 12, sondern auch die Kathode der
Diode 3 mit dem dritten Flachleiter 12. Der dritte
Flachleiter 12 ist somit der Kollektor- und Kathoden-Anschluss
des Leistungshalbleiterbauteils 1.
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Ein
weiterer Bonddraht 26 erstreckt sich zwischen der Anode 24 der
Diode 3 und dem ersten Flachleiter 10. Der erste
Flachleiter 10 ist somit der Emitter- und Anoden-Anschluss
des Leistungshalbleiterbauteils 1. Die Bonddrähte 25, 26 weisen
Aluminium auf. Die Anordnung der Diode, des IGBT-Bauelements 2 und
der Bonddrähte 25, 26 sieht
eine Schaltung vor, bei der die Diode 3 parallel mit dem IGBT-Bauelement 2 geschaltet
ist.
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Das
Leitungshalbleiterbauteil 1 weist auch eine Kunststoffgehäusemasse
auf, die nicht in der Draufsicht der 1 gezeigt
ist.
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2 zeigt
einen Querschnitt des Leistungshalbleiterbauteils 1 der 1,
in der die Anordnung der zwei Teile 7, 8 des Chipträgers 5 sowie
der Stapel des IGBT-Bauelements 3 und der Diode 2 zu
sehen ist.
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Im
Querschnitt der 2 ist zu sehen, dass die zwei
Chipträgerteile 7, 8 unterschiedlich
Dicken aufweisen. Der erste Chipträgerteil 7 ist dicker
als der zweite Chipträgerteil 8.
Die obere Oberfläche 27 des ersten
Teils 7 und des zweiten Teils 8, auf der die Emitter-Elektrode 18 bzw.
die Gate-Elektrode 19 angeordnet
sind, liegen in ungefähr
der gleichen Ebene. Die untere Oberfläche 28 des ersten
Chipträgerteils 7 liegt
somit auf einer anderen Ebene zu der unteren Oberfläche 29 des
zweiten Chipträgerteils 8.
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Die
Kunststoffgehäusemasse 30,
die das Gehäuse
des Leistungshalbleiterbauteils 1 bildet, ist auch in der 2 zu
sehen. Das IGBT-Bauelement 2, die Diode 3, die
Bonddrähte 25, 26 sowie
die inneren Bereiche der Flachleiter 6 sind in der Kunststoffgehäusemasse 30 vollständig eingebettet.
Das zweite Chip trägerteil 8 einschließlich seine
untere Oberfläche 29 ist
auch in der Kunststoffgehäusemasse 30 einbettet.
Im Gegensatz dazu ist die untere Oberfläche 28 des ersten
Chipträgerteils 7 nicht
von der Kunststoffgehäusemasse 30 abgedeckt
und bildet mit der Unterseite (42) der Kunststoffgehäusemasse 30 eine
gemeinsame äußere Oberfläche des
Leistungshalbleiterbauteils 1. Die untere Oberfläche 29 des
ersten Chipträgerteils 7 sieht
somit die Massekontaktfläche 36 des
Leistungshalbleiterbauteils 1 vor, da sie von außerhalb
des Leistungshalbleiterbauteils 1 zugänglich ist.
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Die
Anordnung der Diffusionslotverbindungen 31, 32,
die die Emitter-Elektrode 18 mit der oberen Oberfläche 27 des
ersten Chipträgerteils 7 bzw. die
Gate-Elektrode 19 mit der oberen Oberfläche des zweiten Chipträgerteils 8 elektrisch
verbinden, ist auch in der 2 zu sehen.
Die Anordnung der zwei Diffusionslotverbindungen 31, 32 ist
im Wesentlichen gleich.
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Die
Diffusionslotverbindungen 31, 32 weisen jeweils
zwei Schichten auf, die auf der Emitter-Elektrode 18 und
der Gate-Elektrode 19 angeordnet
sind. Die Emitter-Elektrode 18 und die Gate-Elektrode 19 bestehen
im Wesentlichen aus Aluminium. Das Aluminium bildet eine Kontaktschicht
auf dem Silizium des Halbleiterkörpers
des IGBT-Bauelements 2, da Aluminium einen niederohmigen
elektrischen Kontakt mit Silizium formt. Eine Diffusionssperrsicht 33 aus
Titan ist direkt auf dem Aluminium der Emitter-Elektrode 18 bzw.
der Gate-Elektrode 19 angeordnet. Eine Diffusionslotschicht 34 ist
direkt zwischen der Diffusionssperrschicht 33 und der oberen Oberfläche 27 des
Chipträgers 5 angeordnet.
Die Diffusionslotschicht 34 weist intermetallische Phasen 35 auf,
die das Produkt einer Reaktion zwi schen einem Diffusionslot und
dem Material des Chipträgers 5 sind.
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Das
IGBT-Bauelement 2 wird mit einer Emitter-Elektrode 18 und
einer Gate-Elektrode 19 hergestellt, die jeweils eine Aluminium
Schicht 18, 19, einer Diffusionssperrschicht 33 und
einer Diffusionslotschicht 34 aufweisen. Die abgeschiedene
Diffusionslotschicht weist Diffusionslot auf. Dies kann auch auf der
Wafer-Ebenen durchgeführt
werden und danach die Bauelemente von dem Wafer getrennt werden.
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Um
das IGBT-Bauelement 2 auf dem Chipträger 5 zu montieren,
wird zumindest der Chipträger 5 des
Flachleiterrahmens 4 auf eine Temperatur aufgeheizt, die über der
Schmelztemperatur des Diffusionslots liegt. Das IGBT-Bauelement 2 wird
auf dem Chipträger 5 aufgebracht,
so dass die Emitter-Elektrode 18 auf dem ersten Chipträgerteil 7 und
die Gate-Elektrode 19 auf dem zweiten Chipträgerteil 8 angeordnet
ist. Durch die Erzeugung von intermetallischen Phasen aus einer
Reaktion der äußeren Diffusionslotschicht 34 und
der Oberfläche 27 des
Chipträgers 5 wird
die Diffusionslotschicht 34 erstarren und das IGBT-Bauelement 2 auf
dem Chipträger 5 montiert.
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Nach
der Montage der ersten Seite 16 des IGBT-Bauelements 2 auf
der oberen Oberfläche 27 des
Chipträgers 5 wird
die Diode 3 auf der Kollektor-Elektrode 20, die
auf der oberen Seite des IGBT-Bauelements 2 angeordnet
ist, montiert. Dies wird mittels eines Diffusionslots oder Weichlots
realisiert. Danach werden die Bonddrähte 25, zwischen der
Emitter-Elektrode 20 und dem dritten Flachleiter 12 und
einem Bonddraht 26 zwischen der Anode 24 und dem
ersten Flachleiter 10 erzeugt, um die Umverdrahtung des
Leistungshalbleiterbauteils 1 vorzusehen.
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Schließlich werden
das IGBT-Bauelement 2, die Diode 3, die Bonddrähte 25, 26;
die inneren Bereich der Flachleiter 6, das zweite Chipträgerteil 8 und
zumindest der obere Bereich des ersten Chipträgerteils 7 in einer
Kunststoffgehäusemasse
eingebettet. Die untere Oberfläche 28 des
ersten Chipträgerteils 7 bleibt
frei von der Kunststoffgehäusemasse 30 und
sieht eine Massekontaktfläche 36 des
Leistungshalbleiterbauteils 1 vor.
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Der
Abstand zwischen der oberen Oberfläche 27 des Chipträgers 5 und
der unteren ersten Oberfläche 16 des
IGBT-Bauelements 2 kann erhöht werden, um die elektrische
Isolation des IGBT-Bauelements 2 von
dem Chipträger 5 zu
erhöhen.
Dies kann durch eine Verstärkung
der Emitter-Elektrode 18 und der Gate-Elektrode 19 oder der Diffusionslotverbindung 31, 32 realisiert
werden. Dazu kann vor seiner Montage auf dem Chipträger 5 eine
dickere strukturierte Metallisierung auf der ersten Seite 16 des
IBGT-Bauelements 2 abgeschieden werden.
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3 zeigt
ein Leistungshalbleiterbauteil 37 nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Das Leistungshalbleiterbauteil 37 unterscheidet
sich von dem Leistungshalbleiterbauteil 1 durch die Struktur
der Emitter-Elektrode 18 und seiner Verbindung mit dem
ersten Chipträgerteil 7 und
durch die Struktur des Chipträgers 5.
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Beim
Leistungshalbleiterbauteil 37 nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung weist der zweite Chipträgerteil 8 im Wesentlichen
die gleiche Dicke wie der erste Chipträgerteil 7 auf. Die
untere Oberfläche 28 des
ersten Chipträgerteils 7 und
die untere Oberfläche 29 des
zweiten Chipträgerteils 8 sind
somit im Wesentlichen koplanar. Die untere Oberfläche 29 des
zweiten Chipträgerteils 8 bleibt
frei von der Kunststoffgehäu semasse 30 und
bildet eine gemeinsame Oberfläche
mit der unteren Oberfläche des
ersten Chipträgerteils 7 und
der unteren äußeren Oberfläche 42 der
Kunststoffgehäusemasse 30.
Die untere Oberfläche 29 des
zweiten Chipträgerteils 8 kann
somit eine Außenkontaktfläche des
Leistungshalbleiterbauteils 37 vorsehen.
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In
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung weist die Emitter-Elektrode 18 mehrere elektrisch
leitende Kontakthöcker 38,
die in Form von Erhebungen auf der Oberfläche der Emitter-Elektrode 18 vorgesehen
sind. Die Kontakthöcker 38 sind
voneinander physikalisch getrennt und in einer nicht gezeigten Matrix
von Reihen und Spalten angeordnet. Die Kontakthöcker 38 bestehen aus
zwei Schichten 39, 40. Die erste Schicht 39 ist
auf der Emitter-Elektrode 18 angeordnet und bildet die
Basiserhebung der jeweiligen Kontakthöcker 38. Die zweite
Schicht 40 ist auf der ersten Schicht 39 angeordnet
und ist eine Diffusionslotschicht, die intermetallische Phasen aufweist,
die das Produkt eines Diffusionslotverfahrens sind, wie oben bereits
beschrieben ist. Die zweite Schicht 40 ist somit direkt
zwischen der Oberfläche 27 des
ersten Chipträgerteils 7 und
der ersten Schicht 39 der Kontakthöcker 38 angeordnet.
Die Emitter-Elektrode 18 ist über den Kontakthöckern 38 auf
dem ersten Chipträgerteil 7 montiert
und damit elektrisch verbunden. Die Grenzfläche zwischen der Emitter-Elektrode 18 und
dem ersten Chipträgerteil 7 wird
durch die Kontakthöcker 38 reduziert.
Dies reduziert den Anteil an Wärme,
der in dem Chipträger
und in die Leiterplatte, auf dem das Leistungshalbleiterbauteil 37 montiert
wird, fließt.
Durch diese Maßnahme
kann die Temperatur der Leiterplatte und insbesondere benachbarter
Komponenten reduziert und die Zuverlässigkeit dieser Komponenten
sowie die Gesamtschaltung verbessert werden.
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Die
Dicke der Gate-Elektrode 19 entspricht der gesamten Dicke
der Emitter-Elektrode 18 und der Kontakthöcker 38,
so dass die erste Seite 16 des IGBT-Bauelements 2 ungefähr parallel
zu der oberen Oberfläche 27 des
Chipträgers
liegt. Die Gate-Elektrode 19 weist auch zwei Schichten
auf, die im Wesentlichen den Schichten 39 und 40 der
Kontakthöcker 38 entsprechen.
Diese Anordnung der Gate-Elektrode 19 vereinfacht das Herstellungsverfahren,
da beide Strukturen gleichzeitig hergestellt werden können.
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Die
Kontakthöcker 38 werden
durch selektive Abscheidung der gewünschten Schichtfolge auf der
Emitter-Elektrode 18 hergestellt. Gleichzeitig werden die
Schichten auf der Gate-Elektrode 19 abgeschieden.
Das IGBT-Bauelement 2 mit Kontakthöcker 38 wird auf dem
Chipträger 5 mittels
eines Diffusionslotverfahrens montiert, wie oben bereits beschrieben
ist.
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In
weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen
ist das vertikale Leistungshalbleiterbauelement ein vertikales MOSFET-Bauelement. Das Leistungshalbleiterbauteil
kann somit auch ein MOSFET mit einer freilaufenden Diode aufweisen.
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In
weiteren nicht in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung
weist das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil
mehrere Stapel auf, die in einer Ausführungsform jeweils einen vertikalen
Transistor und eine darauf gestapelte Freilaufdiode aufweisen. Das
erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauteil
kann somit Halbbrücke und
Vollbrücke
vorsehen.