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Die
Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Anordnung mit einem
Substrat und einem Grundkörper, wie sie beispielhaft Teil
eines Leistungshalbleitermoduls ist.
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Grundsätzlich
bekannt sind Leistungshalbleitermodule mit einem Grundkörper,
der als Grundplatte des Leistungshalbleitermoduls selbst oder als
zusätzlicher Kühlkörper ausgebildet ist.
Derartige Leistungshalbleitermodule bieten gegenüber diskreten Leistungsschaltern
(z. B. Scheibenzellen, TO220) den großen Vorteil der inneren
Isolierung gegenüber einer Wärmesenke, hier beispielhaft
dem Grundkörper. Diese innere Isolierung wird gemäß dem
Stand der Technik beispielhaft durch den Einsatz von keramischen
Substraten erreicht, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit mit einer
großen Wärmeleitfähigkeit verbinden.
Sie erlauben den effizienten Aufbau von Leistungsschaltungen, da
sie neben der Basisisolierung, der Isolation zur Umgebung auch eine
Funktionsisolierung, die Isolierung verschiedener Bereiche gegeneinander
auf einer strukturierten und mit Bauelementen versehenen Fläche,
bereitstellen. Derartige Leistungshalbleitermodule, mit keramischen
Substraten sind beispielhaft aus der
US
5,466,969 , aus der
EP
0 750 345 A2 sowie der
DE 197 00 963 A1 bekannt.
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All
diesen Ausgestaltungen von Leistungshalbleitermodulen nach dem Stand
der Technik ist gemeinsam die Verwendung eines keramischen Isolierstoffkörpers
mit Leiterbahnen auf dessen erster und einer flächigen
Metallkaschierung auf dessen zweiter Hauptfläche, hergestellt
z. B. durch eine Spinellbindung zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und Kupferoxid
nach dem ”Direct Copper Bonding”(DCB)-Verfahren
oder durch ein Aktivlötverfahren ”Active Metal
Brazing” (AMB).
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Bei
allen bekannten Ausgestaltungen dieser Substrate dehnen sich die
Leiterbahnen nicht bis an den Rand des Substrats aus, wodurch dort
ein elektrisch nicht leitender Bereich ausgebildet wird. Typischerweise
reicht auch die flächige Metallkaschierung auf der zweiten
Hauptfläche des Isolierstoffkörpers nicht an den
somit durch diesen gebildeten Rand des Substrats heran. Durch diese
Anordnung ergibt sich eine bis zu gewissen Spannungsgrenzen ausreichende
Durchschlagsfestigkeit der Anordnung aus Substrat, hierauf angeordneten
Leiterbahn und einem typischerweise auf Grundpotential liegendem Grundkörper.
Es ist aus der
DE
100 63 714 A1 bekannt diese Spannungsgrenze zu erhöhen,
indem der Außenrand der flächigen Metallkaschierung
gegenüber dem Außenrand der Leiterbahnen auf der ersten
Hauptfläche des Substrats zurückversetzt ausgebildet
ist.
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Beispielhaft
aus der nicht vorveröffentlichten
DE „10 2007 062 305
A1” ist es bekannt bei Leistungshalbleiterbauelementen,
vorzugsweise auch bei Leistungsdioden, in einem Randbereich um den aktiven
Bereich herum eine Feldringstruktur vorzusehen, die zum Erreichen
einer geforderten Sperrspannungsfestigkeit beiträgt. Diese
Feldringe sind konzentrisch um den aktiven Bereich herum angeordnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine leistungselektronische
Anordnung mit einem Substrat und einem Grundkörper anzugeben,
wobei die Durchschlagsfestigkeit am Randbereich unabhängig
von der Art des Substrats erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst,
durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
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Ausgangspunkt
der erfindungsgemäßen Lösung sind Leistungshalbleitermodule
gemäß dem oben beschrieben Stand der Technik,
wobei die folgenden Ausführungen nicht nur hierauf und
auch nicht auf die oben genannten Ausbildung der Substrate beschränkt
sind.
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Die
erfindungsgemäße leistungselektronische Anordnung
weist ein Substrat und einen Grundkörper, beispielhaft
einen Kühlkörper eines Leistungshalbleitermoduls,
auf. Dieser Grundkörper schließt sich an der zweiten
Hauptfläche des Substrats an und ist mit diesem zumindest
thermisch leitend verbundenen. Der Grundkörper besteht
hierbei aus einem elektrisch leitenden oder leitfähigen
Material und liegt auf Grundpotential.
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Auf
einer ersten elektrisch isolierend ausgebildeten Hauptfläche
des Substrats ist mindestens eine erste, hohes Potential gegenüber
dem Grundkörper aufweisende, Leiterbahn angeordnet. In
Leistungshalbleitermodulen sind auf derartigen Leiterbahnen die
Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet, ebenso sind die schaltungsgerechten
Verbindungen zumindest teilweise mittels derartiger Leiterbahn ausgebildet.
Typischerweise sind in Leistungshalbleitermodulen eine Mehrzahl
derartiger Leiterbahn angeordnet, die im Betrieb unterschiedliches Potential
aufweisen.
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Gemäß dem
Stand der Technik sind diese Leiterbahnen räumlich begrenzt
wobei ihre Außengrenze diejenige dem Rand des Substrats
zugewandte Begrenzung darstellt. Diese Außengrenze ist von
dem Außenrand des Substrats beabstandet. In dem hierdurch
gebildeten Randbereich sind zwischen der Leiterbahn und der Außengrenze
mindestens ein erster und ein zweiter elektrisch leitender Bereich
angeordnet. Es ist hierbei offensichtlich bevorzugt, wenn der mindestens
eine erste und der zweite leitende Bereich voneinander und von der
mindestens einen ersten hohes Potential aufweisenden Leiterbahn
elektrisch isoliert sind. Weiteres Kennzeichnen für die
erfindungsgemäße Anordnung ist hierbei, dass zwischen
dem zweiten leitenden Bereich und dem Grundkörper eine
elektrisch leitende Verbindung angeordnet ist. Es kann hierbei bevorzugt
sein, wenn diese Verbindung hochohmig ausgebildet ist.
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Es
kann ebenso bevorzugt sein, wenn das Substrat einen Isolierstoffkörper
und hiermit verbunden eine flächige elektrisch leitende
Schicht, ein Metallkaschierung, gemäß dem oben
beschriebenen Stand der Technik aufweist. Hierbei bildet die dem Isolierstoffkörper
abgewandte Oberfläche dieser Metallkaschierung die zweite
Hauptfläche des Substrats aus.
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Eine
besonders bevorzugte Anordnung ergibt sich, wenn die mindestens
eine erste und die zweite leitende Schicht auf dem Randbereich des Substrats
vollständig umlaufend um diesen Randbereich ausgebildet
sind. Hierbei bilden sich um den aktiven Bereich, hier die auf dem
Substrat angeordnete Schaltung, eine Art Feldringstruktur vergleichbar
einer Leistungsdiode aus, wodurch die Durchschlagsfestigkeit der
Anordnung erhöht wird.
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Aus
Gründen der inneren Isolation, beispielhaft im Inneren
eines Leistungshalbleitermoduls ist es bevorzugt, wenn die die Zwischenräume
zwischen der ersten Leiterbahn und dem ersten leitenden Bereich
und zwischen den leitenden Bereichen mit einem Isolationsstoff verfüllt
sind.
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Besonders
bevorzugte Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung sind in der
jeweiligen Beschreibung der Ausführungsbeispiele genannt.
Die erfinderische Lösung wird zudem an Hand der Ausführungsbeispiele
der 1 bis 6 weiter erläutert.
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1 zeigt
eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt.
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2 zeigt
eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt.
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3 zeigt
eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt.
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4 zeigt
eine vierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt.
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5 zeigt
die eine Draufsicht auf die erste erfindungsgemäße
Anordnung.
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6 zeigt
die eine Draufsicht auf die dritte erfindungsgemäße
Anordnung.
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1 zeigt
eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt. Dargestellt ist hier ein Grundkörper
(60), beispielhaft ein Kühlkörper zur
Verbindung mit einem Leistungshalbleitermodul. Auf diesem Grundkörper
(60) ist thermisch leitend verbunden ein Substrat (4)
mit dessen zweiter Hauptfläche (420) angeordnet.
Dieses Substrat (4) weist einen Isolierstoffkörper
(40) gemäß dem Stand der Technik auf.
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Auf
der ersten Hauptfläche (410) dieses Substrats
(4) ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur
eine Leiterbahn (10) dargestellt, wobei diese im Betrieb
hohes Potential, beispielhaft über 2500 V aufweist. Nicht
dargestellt, aber üblich, sind auf diesen Leiterbahnen
angeordnete und schaltungsgerechte verbundene Leistungshalbleiterbauelemente.
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Diese
Leiterbahn (10) weist eine Außengrenze (102)
auf, die dem Substratrand (402) zugewandt ist, ohne dass
weitere Leiterbahnen, also elektrisch leitende Bereich, die der
inneren schaltungsgerechten Funktion dienen, hierzwischen im Randbereich (430)
des Substrats (4) angeordnet sind.
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In
diesem Randbereich (430) des Substrats (4) sind
erfindungsgemäß mindestens ein, hier genau ein
erster (20) und eine zweiter (30) leitender Bereich
angeordnet. Der erste leitenden Bereich (20) ist von der
Leiterbahn (10) beabstandet und somit elektrisch isoliert
und weist eine Innengrenze (200) und eine Außengrenze
(202) auf. Die Innengrenze (200) des ersten leitenden
Bereichs (20) ist der Außengrenze (102)
der Leiterbahn (10) zugewandt, während die Außengrenze
(202) des ersten leitenden Bereichs (20) der Innengrenze
(300) des zweiten leitenden Bereichs (30) zugewandt
ist. Dieser zweite leitenden Bereich (30) ist vom ersten
(20) ebenfalls beabstandet und elektrisch isoliert. Die
Außengrenze (302) des zweiten elektrisch leitenden
Bereichs ist in dieser Ausgestaltung vom Substratrand (402)
ebenfalls beabstandet.
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Für
die Ausbildung der ersten (20) und des zweiten (30)
elektrisch leidenden Bereichs ist es besonders bevorzugt, wenn diese
gleichzeitig und mit dem gleichen Herstellungsverfahren wie die
Leiterbahn (10) ausgebildet werden. Nach den bekannten Verfahren
hergestellte Leiterbahn (10) und elektrisch leitenden Bereiche
(20, 30) bilden im Rahmen der Herstellungstoleranzen
Kanten senkrecht zur Substratebene aus.
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Weiterhin
ist schematisch dargestellt, dass der zweite elektrisch leitende
Bereich (30) mit dem Grundkörper (60)
eine nieder- oder auch möglicherweise bevorzugt hochohmige
(72) Verbindung (70) aufweist. Hierdurch wird
der zweite elektrisch leitende Bereich (30) auf das Potential
des Grundkörpers (60) gebracht, wodurch die Anordnung
der ersten (20) und zweiten (30) elektrisch leitenden
Bereiche eine ähnliche Funktion wie die Feldringstruktur
einer Leistungsdiode übernehmen und die Durchschlagsfestigkeit
der gesamten Anordnung verbessern.
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2 zeigt
eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt. Diese unterscheide sich von derjenigen
gemäß 1 dadurch, dass das Substrat
(4) nicht nur aus einem Isolierstoffkörper (40)
besteht, sonder zusätzlich auf der den Leiterbahnen (10)
abgewandten Seite eine flächige Metallkaschierung (42)
aufweist, die allerdings hier nicht bis zum Substratrand (402)
reicht.
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Weiterhin
unterscheidet sich diese Ausgestaltung dahingehend, dass die Außengrenze
(302) des zweiten elektrisch leitenden Bereichs (30)
mit dem Substratrand (402) fluchtet und von diesem Bereich
eine Drahtbondverbindung (74), als eine Ausgestaltung der
elektrisch leitenden Verbindung (70), von dem zweiten Bereich
(30) zum Grundkörper (60) reicht.
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3 zeigt
eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt. Diese unterscheidet sich wesentlich von
derjenigen gemäß 2 dadurch,
dass die Innen- (200, 300) und Außengrenzen
(202, 302) der elektrisch leitenden ersten (20)
und zweiten (30) Bereiche keine senkrechten Kanten aufweisen,
sondern einen sanften Abfall ihrer Dicke in Richtung der jeweiligen
Grenze aufweisen. In dieser Ausgestaltung ist ist die Außengrenze
(302) des zweiten elektrisch leitenden Bereichs (30)
vom Substratrand (402) beabstandet, während der
die Metallkaschierung (42) bis zu diesem reicht.
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Weiterhin
dargestellt ist die elektrisch leitende Verbindung (70)
des zweiten elektrisch leitenden Bereichs (30) zum Grundkörper
(60) mittels einer Durchkontaktierung (76) durch
den Isolierstoffkörper (40) des Substrats (4).
Diese Durchkontaktierung (76) verbindet die zweite elektrisch
leitende Schicht (30) mit der flächigen Metallkaschierung
(42) des Substrats (4), die wiederum mit dem Grundkörper (60)
elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.
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4 zeigt
eine vierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Anordnung als Teilschnitt. Diese unterscheidet sich von derjenigen
gemäß 1 dadurch, dass die drei hier
dargestellten ersten (20) und der zweite (30)
elektrisch leitenden Bereich nicht gleiche Dicke aufweisen wie die
Leiterbahn (10) und vorzugsweise auch nicht mit dem gleichen
Herstellungsverfahren erzeugt wurden. Ein geeignetes Herstellungsverfahren
hierfür wäre das Abscheiden von Metall auf dem
Isolierstoffkörper (40) aus der Dampfphase.
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Weiterhin
dargestellt und speziell auch bei diese Ausgestaltung der ersten
(20) und zweiten (30) leitenden Schichten vorteilhaft
ist, dass hier eine Mehrzahl von ersten leitenden Schichten (20)
nicht zwangsläufig gleicher geometrischer Abmessungen angeordnet
sind. Die elektrisch leitende Verbindung (70) zum Grundkörper
(60) ist nur schematisch dargestellt.
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Ebenso
kann es bevorzugt sein, wenn die Zwischenräume (50, 52, 54)
zwischen der ersten Leiterbahn (10) und dem ersten leitenden
Bereich (20) und zwischen den ersten und dem zweiten (30)
leitenden Bereichen mit einem Isolationsstoff (80) verfüllt
sind. Typisch hierfür ist eine Verfüllung mit
einem Monomer des Silikonkautschuks, der nach Entgasen polymerisiert
wird. Durch diesen Silikonkautschuk (80) wird hauptsächlich
die Funktionsisolierung im Inneren eines beispielhaften Leistungshalbleitermoduls
hergestellt.
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5 zeigt
die eine Draufsicht auf die erste erfindungsgemäße
Anordnung, wobei auf die Darstellung des Grundkörpers (60,
vgl. 1) verzichtet wurde und auch die elektrisch leitenden
Verbindung (70) des zweiten elektrisch leitenden Bereichs
(30) mit diesem ist nur schematisch als Drahtbondverbindung
(74) angedeutet ist.
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Dargestellt
ist hier nicht nur eine Leiterbahn (10), sondern drei Leiterbahnen,
wie sie in Leistungshalbleitermodulen für die Führung
der beiden Gleichspannungs- und des Wechselstrompotentials notwendig
sind. Diese Leiterbahnen (10) bilden die innere schaltungsgerechten
Funktion aus. Demgegenüber dienen der hier eine erste (20)
und der zweite (30) elektrisch leitende Bereich der Verbesserung
der Durchschlagsfestigkeit der Anordnung. Es ist bevorzugt diesen
ersten (20) und den zweiten (30) leitenden Bereich
um alle Leiterbahnen (10) herum diese umschließend
im Randbereich (430, vgl. 1) des Substrats
(4) anzuordnen.
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6 zeigt
die eine Draufsicht auf die vierte erfindungsgemäße
Anordnung, wobei wiederum auf die Darstellung des Grundkörpers
(60, vgl. 1) verzichtet wurde und auch
die elektrisch leitenden Verbindung (70, vgl. 4)
des zweiten elektrisch leitenden Bereichs (30) nicht dargestellt
ist.
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Dargestellt
sind hier ebenfalls wie unter 5 die drei
Leiterbahnen (10), wie sie in Leistungshalbleitermodulen
für die Führung der beiden Gleichspannungs- und
des Wechselstrompotentials notwendig sind. Im Gegensatz zur Darstellung
gemäß 5 umschließen der erste
(20) und zweite (30) elektrisch leitende Bereich
nicht alle Leiterbahnen (10) vollständig. Hier
werden ausschließlich die dem Substratrand (402)
zugewandten Außengrenzen (102) der Leiterbahnen
(10) hohem, hier mit positivem Gleichspannungs- und Wechselspannungspotential,
im Randbereich (430, vgl. 1) des Substrats
(4) hin umschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5466969 [0002]
- - EP 0750345 A2 [0002]
- - DE 19700963 A1 [0002]
- - DE 10063714 A1 [0004]
- - DE 102007062305 A1 [0005]