DE102006020243B3

DE102006020243B3 - Leistungshalbleitermodul als H-Brückenschaltung und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102006020243B3
Application number: DE102006020243A
Authority: DE
Inventors: Rainald Dipl.-Phys. Sander
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: CN100539137C; US20070252265A1; US7449778B2; CN101114642A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (41) als H-Brückenschaltung (42) mit vier Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und einem Halbleitersteuerchip (IC) sowie ein Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls (41). Die Halbleiterchips (N1, N2, P1, P2, IC) sind auf drei voneinander getrennten großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen (43 bis 45) einer Flachleiterebene (80) angeordnet. Auf einer zentral angeordneten Flachleiter-Chipkontaktfläche (45) ist der Halbleitersteuerchip (IC) angeordnet. Auf zwei seitlich angeordneten Flachleiter-Chipkontaktflächen (43, 44) sind jeweils ein n-Kanal Leistungshalbleiterchip (N1, N2) als Low-Side-Schalter (58, 59) und ein p-Kanal Leistungshalbleiterchip (P1, P2) als High-Side-Schalter (48, 49) angeordnet. Die n-Kanal Leistungshalbleiterchips (N1, N2) liegen gemeinsam auf einem Massepotential (50) und die p-Kanal Leistungshalbleiterchips (P1, P2) stehen mit getrennten Versorgungsspannungsquellen (VS1, VS2) elektrisch in Verbindung.

Description

Die erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul als H-Brückenschaltung, wobei die H-Brückenschaltung aus zwei Halbbrückenschaltungen zusammengesetzt ist. Dazu weist das Leistungshalbleitermodul vier Leistungshalbleiterchips auf.
Aus der Druckschrift US 5 821.618 A ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, wobei das Leistungshalbleitermodul ein isolierendes Gehäuse aufweist, in dem eine Vielzahl von Metallmontageplatten in einer Ebene angeordnet sind und elektrisch von einander in dem Gehäuse isoliert sind. Auf den Metallmontageplatten sind Halbleiterschalter einer Gleichrichterbrücke elektrisch leitend montiert. Verbindungsflachleiter sind elektrisch mit den Halbleiterschaltern verbunden, wobei mindestens ein Verbindungsflachleiter mit den Metallmontageplatten elektrisch in Verbindung stehen.
Dieses Leistungshalbleitermodul hat den Nachteil, dass die Verbindungsflachleiter als Flachleiterbeinchen weit aus dem Gehäuse herausragen und einzeln in dem Gehäuse mit einem Ende verankert sind, so dass die Gefahr besteht, dass die Verbindungsflachleiter bei mechanischer Belastung aus dem Gehäuse herausbrechen, was die Zuverlässigkeit der Brückenschaltung gefährdet.
Darüber hinaus erfordert der aus US 5 821.618 A bekannte mechanische Aufbau der H-Brückenschaltung unterschiedliche Leistungshalbleiterchips, die in einem speziellen Flachleiterrahmen montiert sind. Für den mechanischen Aufbau der bekannten H-Brückenschaltung werden dabei zwei getrennte Low-Side-Schalter und ein Doppel-High-Side-Schalter in Form von Leistungshalbleiterchips verwendet, die auf von einander isolierten Flachleitermontageplatten montiert sind. Dazu ist der Doppel-High-Side-Schalter auf einer zentralen Flachleitermontageplatte montiert, während die Low-Side-Schalter auf zwei seitlich von der zentralen Flachleitermontageplatte angeordneten Flachleitermontageplatten mechanisch und elektrisch fixiert sind. Gesteuert wird diese H-Brückenschaltung über die Gateelektroden der Leistungshalbleiterchips, so dass für spezielle Anwendungen zusätzliche externe Ansteuerschaltungen nachteilig erforderlich werden.
Aus der US 6,747 300 B2 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer H-Brückenschaltung bekannt, bei der die High-Side-Schalter zusammen mit einem Steuerchip auf einem Substrat angeordnet und die Low-Side-Schalter auf den High-Side-Schaltern gestapelt sind. Die Low-Side-Schalter sind jeweils mit einem Massepotential und High-Side-Schalter mit Versorgungsspannungsquellen elektrisch verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es einen verbesserten mechanischen Aufbau einer H-Brückenschaltung zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und mechanisch höher belastbar ist. Ferner soll die Zuverlässigkeit der H-Brückenschaltung und die Einsetzbarkeit der H-Brückenschaltung verbessert und erweitert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungshalbleitermodul als H-Brückenschaltung mit vier Leistungshalbleiterchips und einem Halbleitersteuerchip geschaffen. Die Halbleiterchips sind dazu auf drei voneinander getrennten großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen einer Flachleiterebene in einem Gehäuse angeordnet. Dazu weist die Flachleiterebene eine zentral angeordneten Flachleiter-Chipkontaktfläche auf, auf welcher der Halbleitersteuerchip angeordnet ist, und zwei seitlich davon angeordnete Flachleiter-Chipkontaktflächen, auf denen jeweils ein n-Kanal Leistungshalbleiterchip als Low-Side-Schalter und ein p-Kanal Leistungshalbleiterchip als High-Side-Schalter angeordnet sind. Dabei sind die n-Kanal Leistungshalbleiterchips über Verbindungselemente und über die zentrale Flachleiter-Chipkontaktfläche mit einem gemeinsamen Masseanschluss und die p-Kanal Leistungshalbleiterchips über Verbindungselemente jeweils mit einer Versorgungsspannungsanschluss auf den jeweiligen Flachleiteraußenkontakten stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul hat den Vorteil, dass sein Aufbau gegenüber dem Stand der Technik stark vereinfacht ist, indem auf dem jeweiligen seitlichen Flachleiter-Chipkontaktflächen eine Halbbrücke aus einem n-Kanal Leistungshalbleiterchip und einem p-Kanal Leistungshalbleiterchip angeordnet ist, und die beiden Halbbrücken durch den zentralen Halbleitersteuerchip auf der zentralen Flachleiter-Chipkontaktfläche für eine Vollbrückenfunktion angesteuert werden. Durch diesen zusätzlichen Halbleitersteuerchip, wird die Funktionsfähigkeit und die Einsatzmöglichkeit des Leistungshalbleitermoduls gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert.
Die Fertigung wird dadurch vereinfacht, dass die fünf Halbleiterchips auf einer einzigen Flachleiterebene montiert werden können, so dass ein preiswerter Flachleiterrahmen eingesetzt werden kann. Außerdem ist die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls zumindest in mechanischer Hinsicht deutlich verbessert, da großflächige Flachleiterchipkontakte vorgesehen sind, die großflächig und mechanisch mit dem Gehäuse verankert sind, und auf die von außen ohne mechanisch empfindliche Flachleiterbeinchen zugegriffen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen Kontaktflächen auf den Oberseiten der Halbleiterchips über einzelne Bonddrähte zur Steuersignalübertragung zwischen dem zentralen Halbleitersteuerchip und den vier seitlich angeordneten Leistungshalbleiterchips elektrisch in Verbindung. Dieses verbessert die Steuerbarkeit der H-Brückenschaltung und ermöglicht eine größere Variationsbreite für den Einsatzbereich dieser erfindungsgemäßen H-Brückenschaltung.
Neben der Signalübertragung innerhalb des Leistungshalbleitermoduls und einer Signalübertragung von außen zu dem Halbleitersteuerchip ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die großflächigen Kontaktflächen auf den Oberseiten der Leistungshalbleiterchips über eine Vielzahl parallel geschalteter Bonddrähte mit jeweils einer der großflächigen Flachleiterkontaktflächen auf der Flachleiterebene verbunden sind.
Diese Vielzahl von Bonddrähten ermöglicht es, die Strombelastung der großflächigen Kontaktflächen auf eine Vielzahl von Bonddrahtverbindungen zu verteilen, um die zu schaltenden Ströme zwischen den großflächigen Kontaktflächen auf der Oberseite der Leistungshalbleiterchips und den Flachleiterkontaktflächen ohne thermische Überlastung zu leiten.
Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die großflächigen Kontaktflächen auf der Oberseite der Leistungshalbleiterchips über Bondbänder mit jeweils einer großflächigen Flachleiterkontaktflache auf der Flachleiterebene zu verbinden. Diese Bondbandlösung hat gegenüber einer Vielzahl von Bonddrähten den Vorteil, dass sich eine fertigungstechnische Vereinfachung ergibt, zumal das Herstellen von Bonddrahtverbindungen ein serieller Vorgang ist, der durch die Bondbänder zu einem einzigen Bondschritt zusammengefasst werden kann.
In einer weiteren Möglichkeit, großflächige elektrische Verbindungen herzustellen, können Leiterspangen eingesetzt wer den, die mit einem Leitkleber mit den großflächigen Kontaktflächen auf der Oberseite der Leistungshalbleiterchips und den großflächigen Flachleiterkontaktflächen auf der Flachleiterebene elektrisch leitend verbunden werden. Diese Lösung setzt jedoch voraus, dass entsprechend vorpräparierte Leiterspangen bereitliegen, die dann fertigungstechnisch einsetzbar sind. Vorzugsweise weist das Leistungshalbleitermodul in einer Ebene angeordnete Flachleiter als oberflächenmontierbare Außenkontakte auf der Unterseite auf.
Darüber hinaus ist es möglich, dass 36 Randseitenkontakte auf zwei einander gegenüber liegenden Randseiten des Halbleitermoduls vorgesehen werden. Zum Unterschied im Stand der Technik, bei dem einzelne Flachleiterbeinchen mit einem Ende in einer Kunststoffgehäusemasse verankert sind und mit dem anderen Ende aus der Kunststoffgehäusemasse herausragen, hat diese Lösung der Randseitenkontakte den Vorteil, dass die Randseitenkontakte mechanisch deutlich höher belastbar sind, zumal sie lediglich eine Verlängerung der großflächigen Außenkontakte auf der Unterseite des Halbleitermoduls bis hin zu den Randseiten darstellen. Sie werden demnach mechanisch durch den jeweiligen großflächigen Außenkontakt gehalten.
Dementsprechend weist eine bevorzugte Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls 36 Randseitenkontakte auf, wobei ein erster Ausgangsanschluss die Randseitenkontakte 1 bis 4 und 33 bis 36, die einander gegenüberliegen, aufweist. Ein zweiter Ausgangsanschluss weist die Randseitenkontakte 15 bis 18 und 19 bis 22 auf, die ebenfalls sich exakt im Randbereich des Halbleitermoduls gegenüberliegen. Ein erster Versorgungsanschluss weist die Randseitenkontakte 29 bis 32 und ein zweiter Versorgungsanschluss die Randseitenkontakte 11 bis 14 auf, wobei diese Versorgungsanschlüsse von den Ausgangsan schlössen elektrisch isoliert angeordnet sind. Schließlich weist der zentrale Flachleiteranschluss einen Masseanschluss auf, der mit den Randseitenkontakten 5 bis 8 und 23 bis 26 elektrisch verbunden ist. Lediglich die Randseitenkontakte 9, 11, 27 und 28 sind als Signalaußenanschlüsse ausgebildet und stehen über entsprechende Bonddrahtverbindungen mit dem Halbleitersteuerchip elektrisch in Verbindung.
Sowohl die n-Kanal Leistungshalbleiterchips als auch die p-Kanal Leistungshalbleiterchips sind vorzugsweise FET-Transistoren in vertikaler MOS-Technik. Derartige FET-Transistoren mit vertikalen Driftstrecken können für relativ hohe Versorgungsspannung eingesetzt werden, insbesondere im Bereich von mehreren Kilovolt.
Ein weiterer bevorzugter Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Low-Side-Schalter mit ihren Sourcekontakten und Gatekontakten jeweils mit einem Ausgangsanschluss auf den jeweiligen Flachleiter-Chipkontaktflächen stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind, so dass ihre auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Drainelektroden frei zugänglich sind und über entsprechende Bondbänder mit dem vorgesehenen Massepotential der zentralen Flachleiter-Chipkontaktfläche verbunden werden können, so dass die Low-Side-Schalter mit ihren frei zugänglichen Drainkontakten über Verbindungselemente und über die zentrale Flachleiter-Chipkontaktfläche mit dem Masseanschluss elektrisch in Verbindung stehen.
Die High-Side-Schalter mit ihren Drainkontakten sind jeweils mit einem Ausgangsanschluss auf den jeweiligen Flachleiter-Chipkontaktflächen stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden. Somit sind die auf der gegenüberliegenden Seite der Leistungshalbleiterchips für die High-Side-Schalter angeordneten Sourceelektroden und Gateelektroden frei zugänglich. Während die Gateelektroden über Bonddrahtverbindungen mit Kontaktflächen des zentralen Halbleitersteuerchips in Verbindung stehen, sind die großflächigen Kontaktflächen der Sourceelektroden über Bondbänder jeweils mit einem Versorgungsspannungsanschluss auf den jeweiligen Flachleiteraußenkontakten stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden.
Eine Vielzahl von Kontaktflächen der Halbleitersteuerchips ist über Bonddrahtverbindungen mit den Gatekontakten und den Sourcekontakten der High-Side-Schalter, sowie mit den Drainkontakten der Low-Side-Schalter elektrisch verbunden, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls deutlich erweitert werden.
Darüber hinaus stehen Kontaktflächen des Halbleitersteuerchips über Bonddrahtverbindungen einerseits mit dem Massepotential und andererseits mit Signalaußenkontakten des Leistungshalbleitermoduls elektrisch in Verbindung. Über diese Signalaußenkontakte kann auf das Leistungshalbleitermodul zugegriffen werden. Ferner können unterschiedliche Anwendungen des Leistungshalbleitermoduls genutzt werden. Dazu bilden die Außenkontaktflächen des Leistungshalbleitermoduls eine ebene strukturierte Flachleiterplatte eines Fachleiterrahmens.
Vorzugsweise weist das Leistungshalbleitermodul ein Gehäuse aus einer Kunststoffgehäusemasse auf, in welches die Leistungshalbleiterchips, der Halbleitersteuerchip, die Verbindungselemente und die Außenkontakte unter Freilassung von Außen- und Randkontaktflächen auf der Unterseite bzw. den Randseiten des Leistungshalbleitermoduls eingebettet sind.
Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Leistungshalbleitermodule als H-Brückenschaltung mit vier Leistungshalbleiterchips und einem Halbleitersteuerchip weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
Zunächst wird ein Flachleiterrahmen mit mehreren Leistungshalbleitermodulpositionen hergestellt. In den Leistungshalbleitermodulpositionen werden drei großflächige Flachleiter-Chipkontaktflächen und zwei Flachleiterkontaktflächen für Versorgungsanschlüsse und vier Flachleiterkontaktflächen für Steuersignalanschlüsse vorgesehen. Dabei ist die erste großflächige Flachleiter-Chipkontaktfläche für einen n-Kanal Leistungshalbleiterchip als Low-Side-Schalter mit einem p-Kanal Leistungshalbleiterchip als High-Side-Schalter einer ersten Halbbrücke vorgesehen. Die zweite Flachleiter-Chipkontaktfläche ist für die Leistungshalbleiterchips der zweiten Halbbrücke der H-Brückenschaltung reserviert, und die dritte zentrale Flachleiterkontaktfläche ist für den Halbleitersteuerchip mit Masseanschluss vorgesehen.
Nach Herstellen eines derartigen Flachleiterrahmens werden die Leistungshalbleiterchips und der Halbleitersteuerchip auf die vorgesehenen großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen des Flachleiterrahmens aufgebracht. Nachdem die fünf Halbleiterchips jeweils in den Leistungshalbleitermodulpositionen des Flachleiterrahmens fixiert und positioniert sind, werden Verbindungselemente zwischen Kontaktflächen der Halbleiterchips und den Flachleiterkontaktflächen sowie zwischen Kontaktflächen der Halbleiterchips untereinander aufgebracht.
Abschließend werden dann die Leistungshalbleiterchips, der Halbleitersteuerchip, die Verbindungselemente und die Flachleiterkontaktflächen in eine Kunststoffgehäusemasse unter Freilassen von Außenkontaktflächen der Flachleiteranschlüsse des Flachleiterrahmens verpackt. Danach kann der Flachleiterrahmen in einzelne Leistungshalbleitermodule aufgetrennt werden.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit einem Flachleiterrahmen und einer Vielzahl von Flachleitermodulpositionen gleichzeitig im Parallelverfahren mehrere Leistungshalbleitermodule hergestellt werden können. Des weiteren hat dieses Verfahren den Vorteil, dass für das Herstellen des Flachleiterrahmens lediglich eine ebene Metallplatte erforderlich ist. Dazu wird vorzugsweise eine Metallplatte aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung strukturiert. Das Strukturieren kann durch Stanzen erfolgen, was den Vorteil der Massenfertigung hat, oder es kann durch ein Nassätzen erfolgen, bei dem die Ränder der einzelnen Flachleiterplattenbereiche eine Kontur erfahren, die ein Verankern der Flachleiterbereiche auf der Unterseite eines Kunststoffgehäuses für das Leistungshalbleitermodul erleichtern. Eine weitere Möglichkeit der Strukturierung einer derartigen Metallplatte zu einem Flachleiterrahmen besteht in einer Trockenätzung, die mittels einer Plasmazerstäubung durchgeführt werden kann. Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Flachleiterrahmens besteht darin, die Flachleiterrahmenstruktur galvanisch auf einem Hilfsträger abzuscheiden und anschließend den Flachleiterrahmen von dem Hilfsträger abzunehmen, zu entfernen oder den Hilfsträger selbst aufzulösen.
Zum Aufbringen der Leistungshalbleiterchips und des Halbleitersteuerchips auf die vorgesehenen großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen können diese Halbleiterchips auf die Flachleiter-Chipkontaktflächen aufgelötet oder aufgeklebt werden.
Für das beim Anbringen von Verbindungselementen zwischen Kontaktflächen des Halbleitersteuerchips und den Flachleiterkontaktflächen, sowie zwischen Kontaktflächen des Halbleitersteuerchips und Kontaktflächen der Leistungshalbleiterchips stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Eins der preiswertesten Verfahren wäre das Bonden, bei dem Bondrahtverbindungen hergestellt werden. Andererseits ist es von Vorteil, Verbindungselemente zwischen Kontaktflächen der Leistungshalbleiterchips und den Flachleiterkontaktflächen durch Vielfachdrahtbonden oder durch Anbringen von Bondspangen oder schließlich durch Bonden von Bondbändern herzustellen.
Dabei hat jedes dieser Verfahren seine Vor- und Nachteile, wobei das Anbringen von Bondbändern ein Verfahren ist, bei dem in schneller Folge Bondbandverbindungen hergestellt werden können, während das Anbringen von Bondspangen damit verbunden ist, dass derartige Bondspangen passend für jedes Leistungshalbleitermodul einzeln herzustellen sind und einzeln zu montieren sind.
Das Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Leistungshalbleitermodule erfolgt vorzugsweise mittels eines Stanzverfahren. Es lässt sich jedoch auch ein Auftrennen mittels eines Ätzverfahrens durchführen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild einer erfindungsgemäßen H-Brückenschaltung;
2 zeigt einen schematischen Aufbau der H-Brückenschaltung gemäß 1 als Leistungshalbleitermodul.
1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild einer erfindungsgemäßen H-Brückenschaltung 42, die aus zwei Halbbrückenschaltungen zusammengesetzt ist und über einen Halbleitersteuerchip IC zu einer steuerbaren H-Brückenschaltung 42 verknüpft ist. Dazu weist jede Halbbrückenschaltung als Low-Side-Schalter 58, einen n-Kanal Leistungshalbleiterchip N1 auf, der zwischen einem Masseanschluss 50 und einem High-Side-Schalter 48 angeordnet ist, wobei der High-Side-Schalter 48 einen p-Kanal Leistungshalbleiterchip P1 aufweist, der an einer ersten Versorgungsspannungsquelle VS1 angeschlossen ist. Zwischen dem ersten Low-Side-Schalter N1 und dem ersten High-Side-Schalter P1 wird ein erster Ausgangsanschluss AUS1 abgegriffen.
Auf der zur ersten Halbbrücke gegenüberliegenden Seite ist die zweite Halbbrücke angeordnet mit einem zweiten Low-Side-Schalter 59, der als zweiter n-Kanal Leistungshalbleiterchip N2 ausgebildet ist und zwischen einem Masseanschluss 50 und einem zweiten High-Side-Schalter 49 angeschlossen ist, wobei der High-Side-Schalter 49 einen p-Kanal Leistungshalbleiterchip P2 aufweist, der seinerseits an einer zweiten Spannungsversorgungsquelle VS2 angeschlossen ist. Zwischen dem Low-Side-Schalter 59 und dem High-Side-Schalter 49 ist ein zweiter Ausgangsanschluss AUS2 vorhanden. Über die Leitung 81 wird das Massepotential 50 auch an den Halbleitersteuerchip IC gelegt. Über die Signalleitungen 82, 83, 84 und 85 sind die Gateelektroden der Leistungshalbleiterchips N1, N2, P1 und P2 mit dem Halbleitersteuerchip IC verbunden und über die Signalleitungen 86 und 87 ist der Halbleitersteuerchip IC mit den Versorgungsspannungsquellen VS1 und VS2 verbunden.
2 zeigt einen schematischen Aufbau der H-Brückenschaltung 42 gemäß 1 als Leistungshalbleitermodul 41. Das Leistungshalbleitermodul 41 weist 36 Randseitenkontakte 1 bis 36 auf den Randseiten 66 und 68 auf, wobei die Randseitenkontakte 1 bis 18 auf der Randseite 66 angeordnet sind, und die Randseitenkontakte 19–36 auf der Randseite 68 angeordnet sind. Ein Teil der Randseitenkontakte wird zu großflächigen Flachleiteraußenkontakten 71 bis 75 zusammengefasst, die auf einer Flachleiterebene 80 im Innern des Leistungshalbleitermoduls 41 eine großflächige Flachleiter-Chipkontaktfläche 43 für die eine Halbbrücke der H-Brückenschaltung und eine Flachleiter-Chipkontaktfläche 44 für die zweite Halbbrücke der H-Brückenschaltung bilden.
Auf diesen Flachleiter-Chipkontaktflächen 43 bzw. 44 ist jeweils ein Low-Side-Schalter 58 bzw. 59 und ein High-Side-Schalter 48 bzw. 49 angeordnet. Dabei sind die Low-Side-Schalter 58 und 59 als n-Kanal Leistungshalbleiterchip N1 und N2 ausgebildet und mit ihren Source- und Drainelektroden mit der großflächigen Flachleiter-Chipkontaktfläche 43 bzw. 44 entweder durch eine Lötverbindung oder durch eine Klebstoffverbindung elektrisch leitend fixiert. Demgegenüber sind die p-Kanal Leistungshalbleiterchips P1 und P2, die als High-Side-Schalter 48 und 49 dienen, mit ihren Drainkontaktflächen auf den großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen 43 und 44 jeweils angeordnet.
Die beiden großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen 43 und 44 befinden sich im Randbereich der rechten Randseite 65 bzw. der linken Randseite 67 und haben jeweils 8 Randseiten kontakte, an die auf der linken Randseite 65 ein erster Ausgang AUS1 angeschlossen werden kann und auf der rechten Randseite 67 ein zweiter Ausgang AUS2 angeschlossen werden kann. Dazu stehen für den ersten Ausgangsanschluss AUS1 mit dem Außenkontakt 71 die Randseitenkontakte 1 bis 4 und 33 bis 36 zur Verfügung, während für den zweiten Ausgangsanschluss AUS2 mit dem Außenkontakt 72 die Randseitenkontakte 15 bis 18 und 19 bis 22 zur Verfügung stehen. Auf den zugehörigen großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen 43 bzw. 44 sind, wie bereits erwähnt, die Leistungshalbleiterchips N1 und P1 bzw. N2 und P2 angeordnet und über Bondbänder 61 bis 64 mit weiteren Flachleiterkontaktflächen 45, 46 und 47 verbunden.
Die frei zugänglichen Oberseiten 60 der Leistungshalbleiterchips N1, N2, P1 und P2 weisen großflächige Kontaktflächen 54 bis 57 auf. Dabei ist der erste Leistungshalbleiterchip N1 mit seiner Drainelektrode D1 auf der Oberseite 60 über das Bondband 61 mit der zentralen Flachleiter-Chipkontaktfläche 45 verbunden, die ihrerseits mit den Randseitenkontakten 5 bis 8 und 23 bis 26 des Außenkontaktes 73 auf Massepotential 50 liegt. Auch der zweite Low-Side-Schalter N2 der zweiten Halbbrücke ist mit seiner Drainelektrode D2 auf seiner Oberseite 60 an das Massepotential 50 mit Hilfe eines Bondbandes 62 über die zentrale Flachleiter-Chipkontaktfläche 45 angeschlossen.
Die Sourceelektrode S3 auf der Oberseite 60 des ersten p-Kanal Leistungshalbleiterchips P1 der ersten Halbbrücke ist hingegen über ein Bondband 63 und den Außenkontakt 74 an die erste Versorgungsspannungsquelle VS1 angeschlossen, während der zweite p-Kanal Leistungshalbleiterchip P2 mit seiner Sourceelektrode S4 auf seiner Oberseite 60 über das Bondband 64 und den Außenkontakt 75 an die zweite Versorgungsspan nungsquelle VS2 angeschlossen ist. Die Verbindungsleitungen 81 bis 87, die in 1 gezeigt werden, sind in diesem Aufbau des Leistungshalbleitermoduls durch Bonddrähte 53 realisiert. Weitere Bonddrahtverbindungen 53 bestehen zwischen Kontaktflächen 51 auf der Oberseite 52 des Halbleitersteuerchips IC und den Signalaußenkontakten 76 bis 79.

1–36: Außenkontakte des Leistungshalbleitermoduls
41: Leistungshalbleitermodul
42: H-Brückenschaltung
43: Flachleiter-Chipkontaktfläche (seitlich)
44: Flachleiter-Chipkontaktfläche (seitlich)
45: Flachleiter-Chipkontaktfläche (zentral)
46: Flachleiterkontaktfläche (VS1)
47: Flachleiterkontaktfläche (VS2)
48: High-Side-Schalter
49: High-Side-Schalter
50: Massepotential bzw. Masseanschluss
51: Kontaktfläche für Signalübertragung
52: Oberseite des Halbleitersteuerchips
53: Bonddraht
54–57: großflächige Kontaktfläche
58: Low-Side-Schalter
59: Low-Side-Schalter
60: Oberseite der Leistungshalbleiterchips
61–64: Bondband
65–68: Randseiten des Leistungshalbleiterchips
71–75: Außenkontakt
76–79: Signalaußenkontakt
80: Flachleiterebene
81–87: Signalverbindungsleitungen
N1: Leistungshalbleiterchip
N2: Leistungshalbleiterchip
P1: Leistungshalbleiterchip
P2: Leistungshalbleiterchip
IC: Halbleitersteuerchip
VS1: Versorgungsquelle
VS2: Versorgungsquelle
D1: Drainkontakt von N1
D2: Drainkontakt von N2
S3: Sourcekontakt von P1
S4: Sourcekontakt von P2
AUS1: erster Ausgangsanschluss
AUS2: zweiter Ausgangsanschluss

Claims

Leistungshalbleitermodul als H-Brückenschaltung (42) mit vier Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und einem Halbleitersteuerchip (IC), wobei die Halbleiterchips auf drei voneinander getrennten großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen (43, 44, 45) einer Flachleiterebene (80) angeordnet sind, mit einer zentral angeordneten Flachleiter-Chipkontaktfläche (45), auf welcher der Halbleitersteuerchip (IC) angeordnet ist und zwei seitlich angeordneten Flachleiter-Chipkontaktflächen (43, 44), auf denen jeweils ein n-Kanal Leistungshalbleiterchip (N1, N2) als Low-Side-Schalter (58, 59) und ein p-Kanal Leistungshalbleiterchip (P1, P2) als High-Side-Schalter (48, 49) angeordnet ist, und wobei die n-Kanal Leistungshalbleiterchips (N1, N2) über Verbindungselemente (61, 62) und über die zentrale Flachleiter-Chipkontaktfläche (45) mit einem gemeinsamen Masseanschluss (50) und die p-Kanal Leistungshalbleiterchips (P1, P2) über Verbindungselemente (63, 64) jeweils mit einen Versorgungsspannungsanschluss (VS1 bzw. VS2) auf den jeweiligen Flachleiteraußenkontakten (74 bzw. 75) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen (51) auf den Oberseiten (52) der Halbleiterchips (N1, N2, P1, P2, IC) über einzelne Bonddrähte (53) zur Steuersignalübertragung zwischen dem zentralen Halbleitersteuerchip (IC) und den vier seitlich angeordneten Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) elektrisch in Verbindung stehen.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass großflächige Kontaktflächen (54 bis 57) auf den Obersei ten (60) der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) über eine Vielzahl paralleler Bonddrähte mit jeweils einer der großflächigen Flachleiterkontaktflächen (45 bis 47) auf der Flachleiterebene (80) verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass großflächige Kontaktflächen (54 bis 57) auf den Oberseiten (60) der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) über Bondbänder (61 bis 64) mit jeweils einer großflächigen Flachleiterkontaktfläche (45 bis 47) auf der Flachleiterebene (80) verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass großflächige Kontaktflächen (54 bis 57) auf den Oberseiten (60) der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) über Leiterspangen mit jeweils einer großflächigen Flachleiterkontaktfläche (45 bis 47) auf der Flachleiterebene (80) verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul in einer Ebene (80) angeordnete Flachleiter als oberflächenmontierbare Außenkontakte (71 bis 79) auf der Unterseite des Leistungshalbleitermoduls (41) aufweist, die in Randseitenkontakte (1–36) auf den Randseiten (66 bis 68) übergehen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (41) 36 Randseitenkontakte (1 bis 36) aufweist, wobei ein erster Ausgangsanschluss (AUS1) die Randseitenkontakte 1 bis 4 und 33 bis 36, ein zweiter Ausgangsanschluss (AUS2) die Randseitenkontakte 15 bis 18 und 19 bis 22, ein erster Versorgungsanschluss (VS1) die Randseitenkontakte 29 bis 32, ein zweiter Versorgungsanschluss (VS2) die Randseitenkontakte 11 bis 14 und ein Masseanschluss 50 die Randseitenkontakte 5 bis 8 und 23 bis 26 aufweist, während die Randseitenkontakte 9 und 11 sowie 27 und 28 Signalaußenanschlüsse sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (41) als Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) FET-Transistoren aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Low-Side-Schalter (58, 59) mit ihren Sourcekontakten und Gatekontakten jeweils mit einem Ausgangsanschluss (AUS1 bzw. AUS2) auf den jeweiligen Flachleiter-Chipkontaktflächen (43 bzw. 44) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Low-Side-Schalter (58, 59) mit ihren Drainkontakten (D1, D2) über Verbindungselemente (61, 62) und über die zentrale Flachleiter-Chipkontaktfläche (45) mit dem Masseanschluss (50) elektrisch in Verbindung stehen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die High-Side-Schalter (48, 49) mit ihren Drainkontakten jeweils mit einem Ausgangsanschluss (AUS1 bzw. AUS2) auf den jeweiligen Flachleiter-Chipkontaktflächen (43 bzw. 44) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die High-Side-Schalter (48, 49) mit ihren Sourcekontakten (S3, S4) über Verbindungselemente (63, 64) jeweils mit einem Versorgungsspannungsanschluss (VS1 bzw. VS2) auf den jeweiligen Flachleiteraußenkontakten (74 bzw. 75) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen (5i) des Halbleitersteuerchips (IC) über Bonddrahtverbindungen (53) mit den Gatekontakten und den Sourcekontakten der High-Side-Schalter, sowie mit den Drainkontakten der Low-Side-Schalter verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen (51) des Halbleitersteuerchips (IC) über Bonddrahtverbindungen (53) mit Signalaußenkontakten (76 bis 79) des Leistungshalbleitermoduls (41) verbunden sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontakte (71 bis 79) des Leistungshalbleitermoduls (41) eine ebene strukturierte Flachleiterplatte eines Fachleiterrahmens sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (41) ein Gehäuse aus einer Kunststoffgehäusemasse aufweist, in welche die Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2), der Halbleitersteuerchip (IC), die Verbindungselemente (53, 61 bis 64) und die Außenkontakte (71 bis 79) unter Freilassung von Außen- und Randkontaktflächen (1 bis 36) auf der Unterseite bzw. den Randseiten (65 bis 68) des Leistungshalbleitermoduls (41) eingebettet sind.
Verfahren zur Herstellung mehrerer Leistungshalbleitermodule (41) als H-Brückenschaltung (42) mit vier Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und einem Halbleitersteuerchip (IC), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Flachleiterrahmens mit mehreren Leistungshalbleitermodulpositionen, wobei in den Leistungshalbleitermodulpositionen drei großflächige Flachleiter-Chipkontaktflächen (43 bis 45) und zwei Flachleiterkontaktflächen (46, 47) für Versorgungsanschlüsse (VS1, VS2) und vier Flachleiterkontaktflächen (76 bis 79) für Steuersignalanschlüsse angeordnet sind, wobei die erste großflächige Flachleiter-Chipkontaktfläche (43) für einen n-Kanal Leistungshalbleiterchip (N1) als Low-Side-Schalter (58) und für einen p-Kanal Leistungshalbleiterchip (P1) als High-Side-Schalter (48) der ersten Halbbrücke und die zweite Flachleiter-Chipkontaktfläche (44) für die Leistungshalbleiterchips (N2, P2) der zweiten Halbbrücke der H-Brückenschaltung und die dritte Flachleiterkontaktfläche (45) für den Halbleitersteuerchip (IC) mit Masseanschluss (55) vorgesehen sind; – Aufbringen der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und des Halbleitersteuerchips (IC) auf die vorgesehenen großflächigen Flachleiterkontaktflächen (43, 44) des Flachleiterrahmens; – Anbringen von Verbindungselementen (53, 61 bis 64) zwischen Kontaktflächen (51, 54 bis 57) der Halbleiterchips (N1, N2, P1, P2, JC) und den Flachleiterkontaktflächen (46, 47), sowie zwischen Kontaktflächen (51) der Halbleiterchips (N1, N2, P1, P2, IC) untereinander; – Verpacken der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und der Verbindungselemente (53, 61 bis 64)), sowie der Flachleiterkontaktflächen (43 bis 47) in eine Kunststoffgehäusemasse unter Freilassen von Außenkontaktflächen der Flachleiteranschlüsse des Flachleiterrahmens; – Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Leistungshalbleitermodule (41).
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen eines Flachleiterrahmens eine Metallplatte vorzugsweise eine ebene Kupferplatte strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren die ebene Metallplatte gestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren die ebene Metallplatte nass oder trocken geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen eines Flachleiterrahmens die Flachleiterrahmenstruktur galvanisch auf einem Hilfsträger abgeschieden und anschließend von dem Hilfsträger abgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und des Halbleitersteuerchips (IC) auf die vorgesehenen großflächigen Flachleiter-Chipkontaktflächen (43 bis 45) die Chips auf die Flachleiterkontaktflächen (43 bis 45) gelötet oder geklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anbringen von Verbindungselementen (53) zwischen Kontaktflächen (51) des Halbleitersteuerchips (IC) und den Flachleiterkontaktflächen (45) sowie zwischen Kontaktflächen (51) des Halbleitersteuerchips (IC) und Kontaktflächen (51) der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) Bondrahtverbindungen (53) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anbringen von Verbindungselementen (61 bis 64) zwischen Kontaktflächen (54 bis 57) der Leistungshalbleiterchips (N1, N2, P1, P2) und den Flachleiterkontaktflächen (45 bis 47) Vielfachbondrahtverbindungen oder Bondspangen, vorzugsweise Bondbänder (61 bis 64) eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Leistungshalbleitermodule (41) ein Stanzverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftrennen des Flachleiterrahmens in einzelne Leistungshalbleitermodule (41) ein Ätzverfahren eingesetzt wird.