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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 A , 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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Aus
der
EP 1 063 700 A2 ist
es bekannt ein Substrat beispielhaft ein DCB Substrat mit einer Mehrzahl
von umlaufenden leitenden Bereichen auf der ersten Hauptfläche auszubilden
und den äußersten
dieser Bereiche beispielhaft mittels einer den Isolierstoffkörper umschließenden leitenden
Schicht mit der leitfähigen
Schicht auf der zweiten Hauptfläche zu
verbinden, wobei das DCB Substrat mittels einer Lötverbindung
mit seiner zweiten Hauptfläche
auf einer Bodenplatte angeordnet sein kann. Hier wie auch in der
DE 101 35 348 A1 sind
verschiedene Ausgestaltungen des genannten Randbereichs des Substrats
offenbart.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine leistungselektronische
Anordnung mit einem Substrat und einem Grundkörper weiterzubilden, 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, die als eine Durchkontaktierung
durch den Isolierstoffkörper
des Substrats ausgebildet ist, 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
das Wirkprinzip einer erfindungsgemäßen Anordnung als Teilschnitt.
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2 zeigt
eine Ausgestaltung dieses Wirkprinzips zur Erläuterung der Erfindung als Teilschnitt.
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3 zeigt
eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung als Teilschnitt.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung als Teilschnitt.
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5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung in Draufsicht.
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6 zeigt
eine weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung in Draufsicht.
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1 zeigt
das Wirkprinzip 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
des 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
zur weiteren Erläuterung
eine Ausgestaltung diese Wirkprinzips als Teilschnitt. Diese unterscheide
sich von derjenigen gemäß 1 dadurch,
dass das Substrat (4) nicht nur aus einem Isolierstoffkörper (40)
besteht, sondern 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 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 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 erfindungsgemäßen 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 weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung 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
eine weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung in Draufsicht,
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, nicht erfindungsgemäß, 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
eine weitere Ausgestaltung zur Erläuterung der Erfindung in Draufsicht,
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.