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Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule. Derartige Module enthalten in der Regel zwei oder mehr Leistungshalbleiterchips, beispielsweise Dioden, Thyristoren, IGBTs, MOSFETs, JFETs usw. Innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls können verschiedene solcher Leistungshalbleiterchips enthalten sein.
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Die heute verfügbaren Leistungshalbleiterchips umfassen ein breites Spektrum verschiedenster Chiptechnologien. In der Vergangenheit hat die Weiterentwicklung moderner, schnell schaltender Leistungshalbleiterchips zu immer höheren zulässigen Sperrschicht- und damit Betriebstemperaturen geführt. Damit wurde es erforderlich, herkömmliche Verbindungstechniken, mit denen die Leistungshalbleiterchips mit anderen Komponenten des Leistungshalbleitermoduls verbunden werden, durch verbesserte Verbindungstechniken, welche höheren Temperaturen Stand halten. Dies gilt umso mehr, wenn die betreffenden Leistungshalbleiterchips im Schaltbetrieb eingesetzt werden und dadurch einer starken Temperaturwechselbelastung ausgesetzt sind. Solche verbesserten Verbindungstechniken erfordern jedoch im allgemeinen spezielle, teuere Chipmetallisierungen, beispielsweise mit Kupfer oder Edelmetallen. Außerdem kann es erforderlich sein, dass auch an die Komponenten des Moduls, die mit solchen speziellen Chipmetallisierungen verbunden werden, beispielsweise Metallisierungen von Keramiksubstraten, auf denen die Leistungshalbleiterchips montiert werden, oder Bonddrähte, mit denen die Leistungshalbleiterchips verbunden werden, erhöhte Anforderungen gestellt werden, was im allgemeinen die Kosten erhöht.
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Die neuesten Entwicklungen bei Chipmetallisierungen moderner Leistungshalbleiterchips führen zu Kupfermetallisierungen, die Chipmetallisierungen konventioneller Leistungshalbleiterchips bestehen hingegen überwiegend aus Aluminum. Kupfer hatgegenüber Aluminium den Vorteil einer um etwa 50% höheren elektrischen Leitfähigkeit. Außerdem eignet sich Kupfer besonders gut zur Herstellung hochtemperaturfester Diffusionslötverbindungen. Kupfer ist jedoch zum Einen teuer, zum Anderen oxidiert es leicht. Zur Herstellung einer Diffusionslötverbindung ist jedoch zumindest eine blanke Kupferoberfläche erforderlich, d.h. das Kupfer muss entweder vor dem Diffusionslöten z.B. von einer Oxidschicht befreit werden, oder aber eine blanke Kupferoberfläche muss im Zeitraum vor dem Diffusionslöten, z.B. wenn die betreffende Komponente längere Zeit gelagert werden soll, vor Oxidation geschützt werden. All diese Maßnahmen sind jedoch aufwändig und teuer.
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Neben Diffusionslötverbindungen weisen auch Niedertemperatur-Drucksinterverbindungen eine hohe Temperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit auf. Hierbei wird eine Paste, welche Silberpulver und ein Lösungsmittel enthält, zwischen die miteinander zu verbindenden Fügepartner eingebracht. Dann werden die Fügepartner unter hohem Druck bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit aneinander gepresst. Hierdurch entsteht eine hochtemperaturfeste und temperaturwechselstabile Verbindung. Abgesehen davon, dass dieser Herstellungsprozess als solcher aufwändig und teuer ist, müssen die miteinander zu verbindenden Oberflächen der Fügepartner mit einem Edelmetall, beispielsweise Silber oder Gold, beschichtet sein, was die Kosten ebenfalls erhöht.
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Eine weitere, grundsätzlich bekannte Verbindungstechnik stellt Drahtbonden dar. Hierbei wird ein Bonddraht z.B. auf eine obere, frei zugängliche Chipmetallisierung gebondet. Die hierzu üblicherweise eingesetzten Bonddrähte bestehen überwiegend aus Aluminium. Im Lastwechselbetrieb bei hohen Temperaturunterschieden verschlechtern sich jedoch im Laufe der Zeit die mechanischen Eigenschaften von Aluminium und damit einhergehend auch die Festigkeit der Bondverbindung. Hierdurch kann es nach längerem Betrieb dazu kommen, dass sich der Bonddraht von der Chipmetallisierung abhebt („lift off“). Im Unterschied dazu weist Kupfer wesentlich bessere Eigenschaften im Lastwechselbetrieb auf, weshalb zunehmend kupferbasierte Bonddrähte eingesetzt werden. Eine hochwertige, temperaturwechselstabile Drahtbondverbindung erfordert jedoch, dass sich die Härte der Chipmetallisierung und die Härte des Bonddrahtes nicht zu stark unterscheiden. Deshalb ist es aus technischer Sicht vorteilhaft, bei modernen Leistungshalbleiterchips obere Chipmetallisierungen aus Kupfer einzusetzen, die allerdings teuer sind.
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Bei der Herstellung heutiger Leistungshalbleitermodule wird aus fertigungstechnischen Gründen eine einheitliche elektrische bzw. mechanische Verbindungstechnik eingesetzt, was bedeutet, dass einander entsprechende Anschlüsse aller Leistungshalbleiterchips des Leistungshalbleitermoduls mit derselben Verbindungstechnik in den Modulaufbau integriert sind. Der Grund hierfür liegt darin, dass aus verfahrensökonomischen Gründen für alle vergleichbaren Teilschritte bei der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls dieselbe Verbindungstechnik eingesetzt wird.
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Beispielsweise können die Unterseitenmetallisierungen aller Leistungshalbleiterchips des Moduls mittels einer herkömmlichen Schmelzlotverbindung beispielsweise auf metallisierte Keramiksubstrate gelötet sein, während die Oberseitenmetallisierungen jeweils mittels einer Aluminiumbonddrahtverbindung elektrisch angeschlossen sind. Werden jedoch moderne, schnell schaltende Leistungshalbleiterchips mit diesen Verbindungstechniken im Leistungshalbleitermodul verbaut, so besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Grund für einen Ausfall des Leistungshalbleitermoduls in der herkömmlichen Verbindungstechnik besteht, da moderne Leistungshalbleiterchips meist mit einem größeren Temperaturhub betrieben werden als herkömmliche Leistungshalbleiterchips.
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Alternativ zu den herkömmlichen Verbindungstechniken können natürlich hochtemperaturfeste Verbindungstechniken (d.h. also Diffusionslöten, Niedertemperatur-Drucksintern, Kleben, Kupferdrahtbonden) an einander entsprechenden Stellen des Moduls moduleinheitlich eingesetzt werden. Das bedeutet aber, dass die Metallisierungen der Halbleiterchips, die keinen hohen Temperaturen bzw. keinen starken Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt sind, einzig und allein zum Einsatz der modernen Verbindungstechnik Metallisierungen mit Kupfer und/oder mit einem Edelmetall aufweisen müssen. Damit wird die höhere Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitermodulen, die mit diesen modernen Verbindungstechniken hergestellt sind, durch erhöhte Herstellungskosten erkauft.
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In der US 2009 / 0 058 350 A1 ist ein Schaltkreis zur Steuerung eines Motorantriebs beschrieben, der einen GleichrichterSchaltkreis und einen Wechselrichter-Schaltkreis enthält mit der Zielsetzung, die Sperrschicht-Temperatur der Leistungsbauelemente des Wechselrichter-Schaltkreises zu reduzieren.
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Aus der
DE 10 2007 046 021 A1 ist es bekannt, dass Leistungsbauelemente bei Sperrschichttemperaturen mit Aluminiumbonddrähten gebondet werden können. Für den Betrieb bei Sperrschichttemperaturen im Bereich von 175°C bis 200°C werden Kupferbonddrähte anstelle von Aluminiumbonddrähten vorgeschlagen.
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In der
US 5 530 284 A ist ein Leistungshalbleiterbauelement bekannt, auf das Bonddrähte aus unterschiedlichen Materialien gebondet sind. Dabei werden für die stromführenden Anschlüsse Aluminiumbonddrähte, für die Steuerelektroden Kupfer- oder Goldbonddrähte verwendet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, in dem Leistungshalbleiterchips mit einer aluminiumbasierten Chipmetallisierung und Leistungshalbleiterchips mit einer kupferbasierten Chipmetallisierung gemischt eingesetzt und trotzdem kostengünstig hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen:
- a) Die Lebensdauer von schnell schaltenden Leistungshalbleiterchips, die bei hoher Temperatur und mit hoher Temperaturwechselbelastung im Schaltbetrieb eingesetzt werden, hängt in hohem Maße von der Qualität der eingesetzten Verbindungstechnik/en ab, mit der/denen die Leistungshalbleiterchips verbaut werden, weshalb bei diesen schnell schaltenden Leistungshalbleiterchips eine kupferbasierte Chipmetallisierung von Vorteil ist.
- b) Bei selten schaltenden Leistungshalbleiterchips, die - im Vergleich zu schnell schaltenden Leistungshalbleiterchips - bei einer geringen Temperatur bzw. Temperaturwechselbelastung, beispielsweise im Gleichrichterbetrieb, eingesetzt werden, ist die Lebensdauer im wesentlichen durch den chipinternen Aufbau bedingt und wird durch die gewählte/n Verbindungstechnik/en nicht wesentlich beeinflusst, weshalb bei diesen langsam schaltenden Leistungshalbleiterchips eine aluminiumbasierte Chipmetallisierung ausreichend ist.
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Ein Leistungshalbleitermodul zum Einsatz in einem Umrichter, der einen Gleichrichterschaltkreis und einen Wechselrichterschaltkreis umfasst, weist ein Gehäuse auf, wenigstens ein Keramiksubstrat, sowie einen ersten Leistungshalbleiterchip und einen zweiten Leistungshalbleiterchip. Der erste Leistungshalbleiterchip ist als Bestandteil eines Gleichrichterschaltkreises einsetzbar und weist einen ersten Halbleiterkörper mit einer oberen Chipmetallisierung und einer unteren Chipmetallisierung auf. Der zweite Leistungshalbleiterchip ist als Bestandteil eines Wechselrichterschaltkreises einsetzbar und weist einen zweiten Halbleiterkörper mit einer oberen Chipmetallisierung und mit einer unteren Chipmetallisierung auf. Der erste Leistungshalbleiterchip und der zweite Leistungshalbleiterchip sind in dem Gehäuse angeordnet.
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An die obere Chipmetallisierung des ersten Leistungshalbleiterchips grenzt ein aluminiumbasierter Bonddraht mit einem Aluminiumanteil von wenigstens 99 Gew% oder wenigstens 99,9 Gew% Aluminium unmittelbar an. An die obere Chipmetallisierung des zweiten Leistungshalbleiterchips grenzt ein kupferbasierter Bonddraht mit einem Kupferanteil von wenigstens 99 Gew% oder wenigstens 99,9 Gew% oder Kupfer unmittelbar an. Die untere Metallisierung des ersten Leistungshalbleiterchips ist mittels einer Schmelzlotschicht mit einer oberen Metallisierung eines Keramiksubstrates verbunden. Die untere Metallisierung des zweiten Leistungshalbleiterchips ist mittels einer Diffusionslotschicht, einer Klebeschicht oder mittels einer silberhaltigen Sinterschicht mit einer oberen Metallisierung eines Keramiksubstrates verbunden.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls werden der erste Leistungshalbleiterchip bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von weniger als 150°C und der zweite Leistungshalbleiterchip bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von mehr als 150°C betrieben.
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Bei der vorliegenden Beschreibung wird zwischen herkömmlichen und hochtemperaturfesten Verbindungstechniken unterschieden. Soweit einzelne dieser Techniken nicht selbsterklärend sind, werden diese nachfolgend näher erläutert.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden als herkömmliche Verbindungstechnik Schmelzlöten oder Bonden mit einem aluminiumbasierten Bonddraht angesehen.
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Beim Schmelzlöten wird ein bestehendes Weichlot, beispielsweise ein zinnbasiertes Lot, zwischen zwei miteinander zu verbindende Fügepartner eingebracht, aufgeschmolzen und abgekühlt, so dass eine einfache Schmelzlotschicht entsteht, die die Fügepartner miteinander verbindet. Anders als eine Diffusionslotschicht weist eine Schmelzlotschicht allenfalls einen geringen Anteil, d.h. weniger als ca. 20 Gew%, an intermetallischen Phasen auf. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein Gegenstand, beispielsweise ein Bonddraht, eine Metallisierung oder eine Metallplatte, als „aluminiumbasiert“ bezeichnet, wenn er einen Anteil von wenigstens 99 Gew% oder wenigstens 99,9 Gew% Aluminium aufweist.
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Als Verbindungstechniken zur Herstellung hochtemperaturfester Verbindungen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Diffusionslöten, Niedertemperatur-Drucksintern oder Kleben angesehen, oder Bonden mit einem kupferbasierten Bonddraht. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein Gegenstand, beispielsweise ein Bonddraht, eine Metallisierung oder eine Metallplatte, als „kupferbasiert“ bezeichnet, wenn er einen Anteil von wenigstens 99 Gew% oder wenigstens 99,9 Gew% Kupfer aufweist. Beim Kleben kann ein elektrisch isolierender oder ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet werden.
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Diffusionslöten basiert darauf, dass während des Lötens Material aus den miteinander zu verbindenden Fügepartnern in das flüssige Lot diffundiert und mit Lotbestandteilen intermetallische Phasen ausbildet, welche einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher ist als der Schmelzpunkt des verwendeten Lotes. Als Diffusionslotschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Lotschicht mit einem Anteil von wenigstens 70 Gew% intermetallischer Phasen angesehen. Solche intermetallische Phasen können beispielsweise intermetallische Kupfer-Zinn-Phasen (z.B. Cu3Sn oder Cu3Sn5) enthalten. Zu deren Herstellung können müssen zwei miteinander zu verbindende Fügepartner an ihren miteinander zu verbindenden Oberflächen Kupfer bereitstellen können, d.h. bei jedem der Fügepartner muss die (vor dem Lötprozess) oberste Schicht im Bereich der vorgesehenen Fügestelle Kupfer aufweisen oder aus Kupfer bestehen. Als Lot kann ein Zinn enthaltendes Lot eingesetzt werden. Optional kann das Lot vor dem Lötprozess auch mit Teilchen aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen versetzt werden. Um eine stabile Diffusionslotschicht zu erhalten ist es vorteilhaft, wenn sich intermetallische Phasen - anders als bei herkömmlichen Schmelzlotverbindungen - zumindest abschnittweise durchgehend zwischen den Oberflächen der miteinander verbundenen Lötpartner erstrecken.
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Beim Niedertemperatur-Drucksintern wird eine Drucksinterschicht hergestellt, indem eine Paste mit Silberpulver und einem Lösungsmittel zwischen die zu verbindenden Fügepartner eingebracht und die Fügepartner unter Druck, beispielsweise 30 MPa bei Temperaturen im Bereich von etwa 150°C bis 250°C aneinander gepresst werden. Zur Ausbildung einer auf diese Weise hergestellten silberhaltigen Sinterverbindungsschicht ist es vorteilhaft, wenn die Fügepartner an ihren miteinander zu verbindenden Oberflächen ganz oder zumindest überwiegend aus einem Edelmetall, beispielsweise Silber oder Gold, bestehen. Eine solche silberhaltige Sinterverbindungsschicht weist einen Silberanteil von wenigstens 99 Gew% oder wenigstens 99,9 Gew% auf. Die silberhaltige Sinterverbindungsschicht kann dabei eine hohe Porosität mit einem Porengesamtvolumenanteil von beispielsweise etwa 50 Vol% der Sinterverbindungsschicht besitzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Vertikalschnitt durch ein bodenplattenloses Leistungshalbleitermodul mit zwei Leistungshalbleiterchips, die auf verschiedenen Keramiksubstraten angeordnet sind, und von denen einer eine aluminiumbasierte Chipmetallisierung und der andere eine kupferbasierte Chipmetallisierung aufweist;
- 2 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit zwei Leistungshalbleiterchips, die auf verschiedenen, auf einer Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls montierten Keramiksubstraten angeordnet sind, und von denen einer eine aluminiumbasierte Chipmetallisierung und der andere eine kupferbasierte Chipmetallisierung aufweist;
- 3 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer Gleichrichterschaltung und einer Wechselrichterschaltung, wobei die Leistungshalbleiterchips der Gleichrichterschaltung räumlich in einer ersten Gruppe und die Leistungshalbleiterchip der Wechselrichterschaltung räumlich in einer zweiten Gruppe gruppiert und die einzelnen Gruppen auf thermisch entkoppelten Segmenten einer Bodenplatte angeordnet sind;
- 4A eine vergrößerte Darstellung eines konventionellen Leistungshalbleiterchips, wie er bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 eingesetzt werden kann, bei dem die obere und die untere Metallisierung jeweils mehrere Teilschichten aufweisen;
- 4B eine vergrößerte Darstellung eines konventionellen Leistungshalbleiterchips, wie er bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 eingesetzt werden kann, bei dem die obere Metallisierung eine aluminiumbasierte Teilschicht aufweist, die ein aluminiumbasierter Bonddraht unmittelbar kontaktiert;
- 5A eine vergrößerte Darstellung eines modernen Leistungshalbleiterchips, wie er bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 eingesetzt werden kann, bei dem die obere und die untere Metallisierung jeweils mehrere Teilschichten aufweisen;
- 5B eine vergrößerte Darstellung eines modernen Leistungshalbleiterchips, wie er bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 eingesetzt werden kann, bei dem die obere Metallisierung eine kupferbasierte Teilschicht aufweist, die ein kupferbasierter Bonddraht unmittelbar kontaktiert;
- 6 eine Draufsicht auf eine einstückig ausgebildete Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul, die zwei mit Stegen verbundene Segmente aufweist;
- 7 eine Draufsicht auf eine Bodenplatte für ein Leistungshalbleitermodul, die zwei voneinander beabstandete Segmente aufweist;
- 8 eine Draufsicht auf ein Keramiksubstrat, bei dem sämtliche Leistungshalbleiterchips einer Gleichrichterschaltung in einer erste Gruppe und sämtliche Leistungshalbleiterchips einer Wechselrichterschaltung in einer zweiten Gruppe jeweils räumlich gruppiert sind;
- 9 ein Schaltbild mit einem Leistungshalbleitermodul, das Leistungshalbleiterchips für eine Gleichrichterschaltung und Leistungshalbleiterchips für eine Wechselrichterschaltung enthält; und
- 10 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls mit entferntem Gehäuse.
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Die gezeigten Figuren sind, sofern nichts anders erwähnt ist, nicht maßstäblich. Die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung verwendete, richtungsgebundene Terminologie (z.B. Begriffe wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „vorne“, „hinten“, „seitlich“, „auf“, „unter“ usw.) bezieht sich auf die jeweilige Figur. Sie wird lediglich dazu verwendet, das Verständnis der Figuren zu erleichtern. Grundsätzlich können die gezeigten Elemente räumlich beliebig angeordnet werden, sofern sich aus der Beschreibung nichts anders ergibt. Im Übrigen bezeichnen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleicher oder einander entsprechender Funktion.
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Die 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100. Das Modul weist ein Gehäuse 60 mit einem Gehäuserahmen 65 auf, sowie einen optionalen Steg 62, der zwischen zwei metallisierten Keramiksubstraten 3 und 4 angeordnet ist. Die Keramiksubstrate 3, 4 weisen jeweils ein Keramikplättchen 30 bzw. 40 auf, das auf seiner Oberseite mit einer oberen Metallisierung 31 bzw. 41 versehen ist. Die oberen Metallisierungen 31 bzw. 41 können optional strukturiert sein. Weiterhin weisen die Keramiksubstrate 3, 4 an ihren Unterseiten jeweils eine optionale, unstrukturierte untere Metallisierung 32 bzw. 42 auf. Die Keramiksubstrate 3, 4 können grundsätzlich - unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander - als DCB-Substrat (DCB = direct copper bonding), als DAB-Substrat (DAB = direct aluminium bonding) oder als AMB-Substrat (AMB = active metal brazing) ausgebildet sein. Die oberen Metallisierungen 31 bzw. 41 können - ebenfalls unabhängig voneinander und in beliebigen Kombinationen miteinander - ganz oder zumindest überwiegend aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Um temperaturbedingte Krümmungen der Substrate 3, 4 zu vermeiden, können die unteren Metallisierungen 32 bzw. 42 und die oberen Metallisierungen 31 bzw. 41 eines Keramiksubstrats 3 bzw. 4 substrateinheitlich aus demselben Material bestehen. Bei Bedarf können die oberen Metallisierungen 31, 41 der Keramiksubstrate 3 bzw. 4 zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert sein, um eine Verschaltung der in dem Leistungshalbleitermodul verbauten elektronischen Komponenten, z. B. Leistungshalbleiterchips; zu ermöglichen.
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Die Keramiksubstrate 3 und 4 sind im Bereich ihrer seitlichen Ränder an dem Gehäuse 60 befestigt, was in 1 jedoch nicht dargestellt ist. Der zwischen zwei benachbarten Substraten 3, 4 angeordnete Gehäusesteg 62 dient ebenfalls zur Befestigung der zu ihm benachbarten Keramiksubstrate 3 und 4. Falls das Leistungshalbleitermodul 100 nur genau ein Keramiksubstrat aufweist, kann der Gehäusesteg 62 entfallen.
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Auf jedem der Keramiksubstrate 3, 4 des Leistungshalbleitermoduls 100 können abhängig von den jeweiligen Schaltungsanforderungen des Leistungshalbleitermoduls ein oder mehrere Leistungshalbleiterchips 1 bzw. 2 angeordnet sein. Mit dem Bezugszeichen „1“ sind Leistungshalbleiterchips eines Gleichrichterschaltkreises, mit dem Bezugszeichen „2“ Leistungshalbleiterchips eines Wechselrichterschaltkreises gekennzeichnet.
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Grundsätzlich kann ein Leistungshalbleitermodul 100 genau ein oder aber mehrere mit jeweils wenigstens einem Leistungshalbleiterchip 1, 2 bestückte Keramiksubstrate 3, 4 aufweisen.
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Auf der oberen Metallisierung 31 des Keramiksubstrats 3 ist ein konventioneller Leistungshalbleiterchip 1 angeordnet, auf dessen Oberseite eine obere Chipmetallisierung 11 und auf dessen Unterseite eine untere Chipmetallisierung 12 aufgebracht ist. Die obere Chipmetallisierung 11 und die untere Chipmetallisierung 12 weisen jeweils wenigstens eine aluminiumbasierte Teilschicht auf, deren Dicke beispielsweise mehr als 1 µm oder mehr als 2 µm betragen kann.
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Zwischen einer solchen aluminiumbasierten Teilschicht und dem Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterchips 1 kann optional noch eine z.B. metallische Barriereschicht vorgesehen sein, die eine Diffusion von Aluminium aus dieser Teilschicht in den Halbleiterkörper weitestgehend verhindert. Auf ihrer dem Leistungshalbleiterkörper abgewandeten Seite kann eine aluminiumbasierte Teilschicht außerdem mit einer optionalen weiteren Metallschicht versehen sein, beispielsweise um die Lötbarkeit zu verbessern oder die ansonsten frei liegende Oberfläche der aluminiumbasierte Teilschicht gegenüber äußeren mechanischen und/oder chemischen Einflüssen zu schützen. Eine solche weitere Metallschicht kann z.B. aus einem der folgenden Materialen bestehen: Ag, NiPd, NiAu, NiPdAu. Optional können diese Materialien Legierungszusätze enthalten.
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Der Halbleiterchip 1 ist mittels einer herkömmlichen Verbindungsschicht 15, d.h. mittels einer Schmelzlotschicht mit der oberen Metallisierung 31 des Keramiksubstrats 3 verbunden. Im Fall einer als Schmelzlotschicht ausgebildeten Verbindungsschicht 15 können die einander zugewandten Oberflächen der unteren Chipmetallisierung 12 und der oberen Substratmetallisierung 31 vor dem Lötprozess zumindest an den mit Lot zu benetzenden Stellen mit einer Beschichtung versehen werden, die die Lötbarkeit verbessert, d.h. den Wärmebedarf beim Löten reduziert und/oder die Benetzbarkeit der Oberfläche erhöht. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise aus Nickel, Gold oder Silber oder aus einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle bestehen.
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Zur oberseitigen Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips 1 ist ein aluminiumbasierter Bonddraht 71 vorgesehen, der auf die obere Chipmetallisierung 11 des Leistungshalbleiterchips 1 gebondet ist. Der Bonddraht 71 kann die obere Chipmetallisierung 11 mit einer beliebigen anderen Komponente des Leistungshalbleitermoduls 100 verbinden. Die in 1 dargestellte Verbindung zu in der oberen Substratmetallisierung 31 des Keramiksubstrats 3 ausgebildeten Leiterbahn ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Bei dem auf dem Keramiksubstrat 4 angeordneten Leistungshalbleiterchip 2 handelt es sich um ein schnell schaltenden Leistungshalbleiterchip, welcher einen Halbleiterkörper 20 auf Silizium- oder Siliziumkarbidbasis umfasst, der auf seiner Oberseite mit einer oberen Chipmetallisierung 21 und auf seiner Unterseite mit einer unteren Chipmetallisierung 22 versehen ist. Die obere Chipmetallisierung 21 und die untere Chipmetallisierung 22 weisen jeweils wenigstens eine kupferbasierte Teilschicht auf, deren Dicke beispielsweise mehr als 1 µm oder mehr als 2 µm betragen kann.
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Zwischen einer solchen kupferbasierten Teilschicht und dem Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterchips 1 kann optional noch eine z.B. metallische Barriereschicht vorgesehen sein, die eine Diffusion von Kupfer aus dieser Teilschicht in den Halbleiterkörper weitestgehend verhindert. Auf ihrer dem Leistungshalbleiterkörper abgewandeten Seite kann eine kupferbasierte Teilschicht außerdem mit einer optionalen weiteren Metallschicht versehen sein, beispielsweise um die ansonsten frei liegende Oberfläche der kupferbasierten Teilschicht gegenüber äußeren mechanischen und/oder chemischen Einflüssen zu schützen. Eine solche weitere Metallschicht kann z.B. aus einer der folgenden Legierungen bestehen: Ag, NiPd, NiAu, NiPdAu. Optional können diese Legierungen weitere Legierungszusätze enthalten.
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Um den Leistungshalbleiterchip. 2 fest mit dem Keramiksubstrat 4 zu verbinden, ist eine Verbindungsschicht 16 vorgesehen, die die untere Chipmetallisierung 22 mit der oberen Metallisierung 41 des Keramiksubstrats 4 verbindet. Die Verbindungsschicht 16 kann als Diffusionslotschicht, als Klebeschicht oder als silberhaltige Sinterschicht ausgebildet sein.
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Im Fall einer als Diffusionslotschicht ausgebildeten Verbindungsschicht 16 bestehen die miteinander zu verbindenden Oberflächen der unteren Chipmetallisierung 22 und der oberen Substratmetallisierung 41 vollständig oder zumindest überwiegend aus Kupfer. Zur Herstellung der Diffusionslötverbindung wird ein zinnbasiertes Lot verwendet. Die fertige Diffusionslotschicht besteht zu wenigstens 70 Gew% aus einer oder mehreren intermetallischen Kupfer-Zinn-Phasen, beispielsweise Cu3Sn oder Cu3Sn5.
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Im Fall einer als silberhaltige Sinterschicht ausgebildeten Verbindungsschicht 16 werden die untere Metallisierung 22 des Leistungshalbleiterchips 2 und die obere Metallisierung 41 des Keramiksubstrats 4 vor dem Sintern zumindest im Bereich ihrer miteinander zu verbindenden Oberflächen mit einer Beschichtung aus Edelmetall, beispielsweise Silber oder Gold oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, versehen.
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Um den Leistungshalbleiterchip 2 auch auf seiner Oberseite elektrisch anzuschließen, ist ein kupferbasierter Bonddraht 72 vorgesehen, der an die obere Chipmetallisierung 21 gebondet ist. Die obere Chipmetallisierung 21 kann mit dem Bonddraht 72 an eine beliebige andere elektrische Komponente des Leistungshalbleitermoduls 100 angeschlossen sein. Die in 1 gezeigte Verbindung mit einem als Leiterbahn ausgebildeten Abschnitt der oberen Substratmetallisierung 41 ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Die Leistungshalbleiterchips 1, 2 des Leistungshalbleitermoduls 100 können beispielsweise Bestandteil einer Umrichterschaltung sein, die ganz oder teilweise in dem Leistungshalbleitermodul 100 realisiert ist. Die Umrichterschaltung enthält unter anderem eine Gleichrichterschaltung und eine Wechselrichterschaltung. Der Leistungshalbleiterchip 2 ist Bestandteil der Wechselrichterschaltung und wird schnell getaktet im Schaltwechselbetrieb eingesetzt. Er ist deshalb hohen Temperaturen und einer starken Temperaturwechselbelastung ausgesetzt. Der Leistungshalbleiterchip 1 ist Bestandteil der Gleichrichterschaltung. Im Vergleich zu dem Leistungshalbleiterchip 2 ist er geringeren Maximaltemperaturen ausgesetzt und unterliegt einer geringeren Temperaturwechselbelastung.
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Bei dem Beispiel gemäß 1 sind auf dem Keramiksubstrat 3 ein oder mehrere konventionelle Halbleiterchips 1, jedoch keine hochtemperaturfesten Leistungshalbleiterchips 2, angeordnet. Hierdurch wird der auf dem Keramiksubstrat 3 angeordnete Schaltungsteil des Leistungshalbleitermoduls bei geringeren Temperaturen betrieben als der auf dem Keramiksubstrat 4 angeordnete Schaltungsteil, so dass herkömmliche Verbindungstechniken, d.h. Verbindungsschichten 15 aus einem Schmelzlot bzw. Bondverbindungen mit aluminiumbasierten Bonddrähten 71, eingesetzt werden können, um den oder die Halbleiterchips 1 mit dem Keramiksubstrat 3 zu verbinden und/oder den oder die Leistungshalbleiterchips 1 elektrisch zu verschalten.
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Grundsätzlich können auf dem Keramiksubstrat 3 auch moderne, hochtemperaturfeste Leistungshalbleiterchips mit kupferbasierten Chipmetallisierungen verbaut werden, sofern diese Leistungshalbleiterchips nicht in einem Temperaturbereich betrieben werden, der für einen unzulässigen Anstieg der Temperatur in der oder den Verbindungsschichten 15 führt, mit denen die anderen, konventionellen auf den Keramiksubstrat 3 angeordneten Leistungshalbleiterchips 1 des Moduls 100 mit dem Keramiksubstrat 3 verbunden sind.
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Auf dem Keramiksubstrat 4 sind ein oder mehrere moderne, hochtemperaturfeste Leistungshalbleiterchips 2 mit kupferbasierten Chipmetallisierungen 21, 22, jedoch keine herkömmlichen Leistungshalbleiterchips mit aluminiumbasierten Chipmetallisierungen angeordnet. Ein jeder der auf dem Keramiksubstrat 4 montierten, modernen Leistungshalbleiterchips 2 ist mittels einer hochtemperaturfesten Verbindungstechnologie, d.h. mittel einer als silberhaltige Sinterschicht oder als Diffusionslotschicht ausgebildeten, hochtemperaturfesten Verbindungsschicht 16 mit der oberen Metallisierung 41 verbunden und/oder mittels eines kupferbasierten Bonddrahtes 72 elektrisch mit weiteren Komponenten des Leistungshalbleitermoduls 100 verschaltet.
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Um das Leistungshalbleitermodul 100 nach außen hin zu verschalten, sind metallische Anschlusslaschen 51, 52, beispielsweise gestanzt und gebogene Kupferbleche, vorgesehen, die aus dem Gehäuse 60 herausragen und deren äußere Enden mit anderen elektrischen Komponenten verschraubt, verpresst, verspannt oder verlötet werden können. Außerdem ist in das Gehäuse 60 eine Weichvergussmasse 65, beispielsweise ein Silikongel, eingefüllt, die die Isolationsfestigkeit des Leistungshalbleitermoduls 100 erhöht, und die zumindest die Oberseiten sämtlicher Leistungshalbleiterchips 1, 2 des Leistungshalbleitermoduls 100 bedeckt.
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Um die Anschlusslaschen 51, 52 elektrisch leitend an die in dem Leistungshalbleitermodul 100 integrierte Schaltung anzuschließen, ist ein aluminiumbasierter Bonddraht oder ein aluminiumbasiertes Bändchen 73 vorgesehen, der die Anschlusslasche 51 mit der oberen Substratmetallisierung 31 des Keramiksubstrats 3 verbindet, sowie ein kupferbasierter Bonddraht oder ein kupferbasiertes Bändchen 74, der die obere Metallisierung 41 des Keramiksubstrats 4 mit der Anschlusslasche 52 verbindet.
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Statt die Anschlusslaschen 51 und/oder 52 mittels Bonddrähten 73 bzw. 74 mit den jeweiligen oberen Substratmetallisierungen 31 bzw. 41 zu verbinden, können die unteren Enden der Anschlusslassen 51 und/oder 52 auch unmittelbar mittels Ultraschallschweißen mit der jeweiligen Substratmetallisierungen 31 bzw. 41 verbunden werden.
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Die aluminiumbasierten Bonddrähte oder Bändchen 73 können auch an dieser Stelle eingesetzt werden, da sie wesentlich geringeren Temperaturen und Temperaturwechselbelastungen unterliegen als ein auf einen modernen Leistungshalbleiterchip 2 gebondeter Bonddraht 72. Grundsätzlich können die Bonddrähte oder Bändchen 73 jedoch auch als kupferbasierte Bonddrähte oder Bändchen 73 ausgebildet sein.
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Bei dem in 1 gezeigten Leistungshalbleitermodul 100 handelt sich um ein so genannten „bodenplattenloses“ Leistungshalbleitermodul, da es keine Bodenplatte aufweist, auf dem die Keramiksubstrate 3, 4 des Leistungshalbleitermoduls 100 gemeinsam montiert sind. Daher bilden die Unterseiten 3b, 4b aller in dem Leistungshalbleitermodul 100 verbauten, mit einem Leistungshalbleiterchip 1 oder 2 bestückten Keramiksubstrate 3, 4 einen Teil der Unterseite 100b des Leistungshalbleitermoduls 100.
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Im Vergleich dazu zeigt 2 ein Leistungshalbleitermodul 100 ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte 9, die beispielsweise kupferbasiert sein kann. Sie weist eine Oberseite 91 auf, sowie eine Unterseite 92. Auf der Bodenplatte 9 sind jeweils bestückte Keramiksubstrate 3, 4 angeordnet, deren untere Metallisierungen 32 bzw. 42 mittels Verbindungsschichten 95 bzw. 96 mit der Oberseite 91 der Bodenplatte 9 verbunden sind. Bei einer als Lötschicht ausgebildeten Verbindungsschicht 95 bzw. 96 kann eine Verankerungsstruktur vorgesehen sein. Eine solche Verankerungsstruktur kann beispielsweise als Metallgitter oder als Metallnetz ausgebildet sein, das zum Löten zwischen die untere Metallisierung 32 bzw. 42 des Keramiksubstrates 3 bzw. 4 eingelegt und mit verlötet wird. Ein anderes Beispiel für eine Verankerungsstruktur ist eine Vielzahl länglicher Säulen, die an der Unterseite der unteren Substratmetallisierung 32 bzw. 42 im wesentlichen senkrecht zu dem betreffenden Keramikplättchen 30 bzw. 40 verlaufen, und die Bestandteil der unteren Substratmetallisierung 32 bzw. 42 sind.
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Um beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 100 eine zu starke temperaturbedingte Durchbiegung der mit wenigstens einem Keramiksubstrat 3, 4 bestückten Bodenplatte 9 zu vermeiden, kann diese, bevor sie mit den Keramiksubstraten 3, 4 bestückt wird, vorgebogen werden, so dass die Unterseite 92 der Bodenplatte 9 insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen möglichst eben ist, um einen möglichst gute Ableitung der in den Leistungshalbleiterchips 1, 2 anfallenden Verlustwärme zu einem an der Unterseite 92 der Bodenplatte 9 montierten Kühlkörper (nicht gezeigt) zu erreichen.
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Die Keramiksubstrate 3, 4 und deren Bestückung mit Leistungshalbleiterchips 1, 2, Bonddrähten 71,72, sowie die Verschaltung mit Bonddrähten 73 bzw. 74 kann auf die gleiche Art, mit den gleichen Materialien und mit den gleichen Verbindungstechniken erfolgen, wie dies vorangehend bei dem Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 1 beschrieben wurde.
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Da sämtliche auf dem Keramiksubstrat 3 angeordnete Leistungshalbleiterchips 1 bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, d.h. bei einer Sperrschichttemperatur von weniger als beispielsweise 125°C oder 150°C betrieben werden, kann zum Verbinden des Keramiksubstrats 3 mit der Bodenplatte 91 eine konventionelle Verbindungstechnik, d.h. Schmelzlöten, eingesetzt werden. Die Verbindungsschicht 95 ist demgemäß als Schmelzlotschicht ausgebildet. Alternativ dazu kann die Verbindungsschicht 95 auch als Diffusionslotschicht, als Klebeschicht oder als silberhaltige Sinterschicht ausgebildet sein.
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Die auf dem Keramiksubstrat 4 angeordneten Leistungshalbleiterchips 2 werden bei vergleichsweise hohen Temperaturen, d.h. bei einer Sperrschichttemperatur von mehr als 125°C, mehr als 150°C oder mehr als 175°C betrieben, weshalb die Verbindungsschicht 96, welche die untere Metallisierung des Keramiksubstrats 4 mit der Bodenplatte 9 verbindet, hochtemperaturfest und temperaturwechselstabil sein muss, d.h. die Verbindungsschicht 96 ist als Diffusionslotschicht, als Klebeschicht oder als silberhaltige Sinterschicht ausgebildet. Bei diesem Leistungshalbleitermodul 100 bildet die Unterseite 92 der Bodenplatte 9 zumindest den größten Teil der Unterseite 100b des Leistungshalbleitermoduls 100.
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Bei allen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung können sämtliche mit einem Leistungshalbleiterchip 1, 2 bestückten Keramiksubstrate 3, 4 des Leistungshalbleitermoduls 100 mittels derselben einer der folgenden Verbindungstechniken mit der Oberseite 91 der Bodenplatte 9 verbunden werden: Diffusionslöten, Silberdrucksintern oder Kleben.
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Das in 3 gezeigte Leistungshalbleitermodul unterscheidet sich von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 2 dadurch, dass seine Bodenplatte 9 wenigstens 2 thermisch weitgehend voneinander entkoppelte Segmente 9a, 9b aufweist. Die thermische Entkopplung wird durch einen Spalt 93 zwischen den Segmenten 9a und 9b erreicht. Der Spalt 93 kann durchgehend ausgebildet sein, so dass die Segmente 9a und 9b voneinander beabstandet sind. Alternativ dazu können die Segmente 9a und 9b auch durch Stege miteinander verbunden sein.
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4A zeigt eine vergrößerte Darstellung eines konventionellen Leistungshalbleiterchips 1, wie er z.B. bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 beispielsweise in einem Gleichrichterschaltkreis eingesetzt werden kann.
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Die obere Metallisierung 11 des ersten Leistungshalbleiterchips 1 weist mehrere metallische Teilschichten 11a, 11b und 11c auf, die untere Metallisierung 12 mehrere metallische Teilschichten 12a, 12b und 12c.
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Die erste Teilschicht 11a der oberen Metallisierung 11 und die erste Teilschicht 12a der unteren Metallisierung 12 sind jeweils aluminiumbasiert und bestehen zu mehr als 99 Gew% oder gar zu mehr als 99,9 Gew% aus Aluminium. Ihre Funktion besteht hauptsächlich darin, hohe Ströme des ersten Leistungshalbleiterchips 1 zu tragen. Sie weisen deshalb im Vergleich zu den anderen Teilschichten 11b und 11c bzw. 12b und 12c relativ hohe Dicken, beispielsweise mehr als 1 µm oder mehr als 2 µm, z.B. etwa 3 µm, auf.
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Die zweite Teilschicht 11b der oberen Metallisierung 11 und die zweite Teilschicht 12b der unteren Metallisierung 12 übernehmen die Funktion von Barriereschichten mit dem Ziel, die Diffusion von Aluminium aus der ersten Teilschicht 11a der oberen Metallisierung 11 bzw. aus der ersten Teilschicht 12a der unteren Metallisierung 12 in den Halbleiterkörper 10 signifikant zu verringern. Die zweiten Teilschichten 11b und/oder 12b können beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen oder zumindest eines der folgenden Materialien aufweisen: TiN; Ta; TaN; TiW; W; Legierungen oder Kombinationen dieser Schichten. Die Dicken der zweiten Teilschichten 11b und/oder 12b können z.B. jeweils etwa 500 nm betragen.
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Die dritte Teilschicht 11c der oberen Metallisierung 11 ist auf der dem Halbleiterkörper 10 abgewandten Seite der ersten Teilschicht 11a der oberen Metallisierung 11 angeordnet. Entsprechend ist die dritte Teilschicht 12c der unteren Metallisierung 12 auf der dem Halbleiterkörper 10 abgewandten Seite der ersten Teilschicht 12a der unteren Metallisierung 12 angeordnet. Die dritten Teilschichten 11c und 12c können beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen oder zumindest eines der folgenden Materialien aufweisen: Ag, NiPd, NiAu, NiPdAu. Optional können diese Materialien Legierungszusätze enthalten.
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Weiterhin kann die obere Metallisierung 11 noch zusätzliche, optionale Teilschichten aufweisen, die zwischen der ersten Teilschicht 11a der oberen Metallisierung 11 und der zweiten Teilschicht 11b der oberen Metallisierung 11 und/oder zwischen der zweiten Teilschicht 11b der oberen Metallisierung 11 und dem Halbleiterkörper 10 angeordnet sind. Entsprechend kann die untere Metallisierung 12 optional noch weitere Teilschichten aufweisen, die zwischen der ersten Teilschicht 12a der unteren Metallisierung 12 und der zweiten Teilschicht 12b der unteren Metallisierung 12 und/oder zwischen der zweiten Teilschicht 12b der unteren Metallisierung 12 und dem Halbleiterkörper 10 angeordnet sind.
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Während hier die dritte Teilschicht 11c der oberen Metallisierung 11 zwischen dem Bonddraht 71 und der ersten Teilschicht 11a angeordnet ist, wurde die dritte Teilschicht 11c der oberen Metallisierung 11 gemäß einer in 4B gezeigten, alternativen Ausgestaltung während des Herstellens der Bondverbindung durch den Bonddraht 71 lokal zerstört, so dass der Bonddraht 71 die erste Teilschicht 11a der oberen Metallisierung 11 unmittelbar kontaktiert und mit dieser eine feste Bondverbindung ausbildet.
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5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines modernen Leistungshalbleiterchips 2, wie er z.B. bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß den 1 bis 3 beispielsweise in einem Wechselrichterschaltkreis eingesetzt werden kann.
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Die obere Metallisierung 21 des zweiten Leistungshalbleiterchips 2 weist mehrere metallische Teilschichten 21a, 21b und 21c auf, die untere Metallisierung 22 mehrere metallische Teilschichten 22a und 22b.
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Die erste Teilschicht 21a der oberen Metallisierung 21 und die erste Teilschicht 22a der unteren Metallisierung 22 sind jeweils kupferbasiert und bestehen zu mehr als 99 Gew% oder gar zu mehr als 99,9 Gew% aus Kupfer. Ihre Funktion besteht hauptsächlich darin, hohe Ströme des zweiten Leistungshalbleiterchips 2 zu tragen. Sie weisen deshalb im Vergleich zu den anderen Teilschichten 21b und 21c bzw. 22b relativ hohe Dicken, beispielsweise mehr als 1 µm oder mehr als 2 um, z.B. etwa 3 µm, auf.
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Die zweite Teilschicht 21b der oberen Metallisierung 21 und die zweite Teilschicht 22b der unteren Metallisierung 22 übernehmen die Funktion von Barriereschichten mit dem Ziel, die Diffusion von Kupfer aus der ersten Teilschicht 21a der oberen Metallisierung 21 bzw. aus der ersten Teilschicht 22a der unteren Metallisierung 22 in den Halbleiterkörper 20 signifikant zu verringern. Die zweiten Teilschichten 21b und 22b können beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen oder zumindest eines der folgenden Materialien aufweisen: TiN; Ta; TaN; TiW; W; Legierungen oder Kombinationen dieser Schichten. Die Dicken der zweiten Teilschichten 21b und/oder 22b können z.B. jeweils etwa 500 nm betragen.
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Die dritte Teilschicht 21c der oberen Metallisierung 21 ist auf der dem Halbleiterkörper 20 abgewandten Seite der ersten Teilschicht 21a der oberen Metallisierung 21 angeordnet. Sie kann beispielsweise aus einer oder mehreren der folgenden Materialien bestehen oder zumindest eines der folgenden Materialien aufweisen: NiPd, NiAu, NiPdAu. Optional können diese Materialien Legierungszusätze enthalten.
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Weiterhin kann die obere Metallisierung 21 noch zusätzliche, optionale Teilschichten aufweisen, die zwischen der ersten Teilschicht 21a der oberen Metallisierung 21 und der zweiten Teilschicht 21b der oberen Metallisierung 21 und/oder zwischen der zweiten Teilschicht 21b der oberen Metallisierung 21 und dem Halbleiterkörper 20 angeordnet sind. Entsprechend kann die untere Metallisierung 22 optional noch weitere Teilschichten aufweisen, die zwischen der zweiten Teilschicht 22b der unteren Metallisierung 22 und dem Halbleiterkörper 20 angeordnet sind.
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Optional kann die untere Metallisierung 11 vor dem Herstellen der Lötverbindung zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterchip 2 und dem Keramiksubstrat 4 als dritte Teilschicht eine zinnhaltige Lotschicht aufweisen, die vor dem Herstellen der Lötverbindung die untere Oberfläche des Leistungshalbleiterchips 2 bildet, und die mittelbar oder unmittelbar auf die dem Halbleiterkörper 20 abgewandte Seite der erste Teilschicht 22a aufgebracht ist. Zur Herstellung der Lötverbindung zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterchip 2 und dem Keramiksubstrat 4 kann die zinnhaltige Lotschicht aufgeschmolzen und abgekühlt werden, so dass aus ihr die Verbindungsschicht 16 entsteht. Während des Lötvorgangs kann Kupfer aus der oberen Metallisierung 41 des Keramiksubstrats 4 und, sofern das zinnhaltige Lot unmittelbar auf die erste Teilschicht 22a der unteren Metallisierung 22 des zweiten Halbleiterchip 2 aufgebracht ist, aus der ersten Teilschicht 22a der unteren Metallisierung 22 in das zinnhaltige Lot eindiffundieren und mit dem darin enthaltenen Zinn hochschmelzende intermetallische Kupfer-Zinn-Phasen, z.B. Cu3Sn oder Cu3Sn5, ausbilden.
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Während hier die dritte Teilschicht 21c der oberen Metallisierung 21 zwischen dem Bonddraht 72 und der ersten Teilschicht 21a angeordnet ist, wurde die dritte Teilschicht 21c der oberen Metallisierung 21 gemäß einer in 5B gezeigten, alternativen Ausgestaltung während des Herstellens der Bondverbindung durch den Bonddraht 72 lokal zerstört, so dass der Bonddraht 72 die erste Teilschicht 21a der oberen Metallisierung 21 unmittelbar kontaktiert und mit dieser eine feste Bondverbindung ausbildet.
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6 zeigt eine Bodenplatte 9 mit zwei thermisch voneinander entkoppelten Segmenten 9a und 9b, die mittels Stegen 94 miteinander verbunden sind. Die Spalte 93 sind als längliche Schlitze in der einstückigen Bodenplatte 9 ausgebildet. Gestrichelt dargestellt sind die Abschnitte der Oberseite 91 der Bodenplatte 9, auf denen die Keramiksubstrate 3 bzw. 4 montiert werden.
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Gemäß einem in 7 gezeigten, alternativen Beispiel einer Bodenplatte 9 können deren Segmente 9a, 9b auch voneinander beabstandet sein.
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8 zeigt eine Draufsicht auf ein Keramiksubstrat 5, auf dem konventionelle Leistungshalbleiterchips 1 mit aluminiumbasierten Chipmetallisierungen 11 sowie moderne Leistungshalbleiterchips 2 mit kupferbasierten Chipmetallisierungen 21 angeordnet sind. Alle konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 sind mit der oberen Metallisierung 51 des Keramiksubstrats 5 mittels einer Verbindungsschicht verbunden, die wie die in 1 erläuterte Verbindungsschicht 15 ausgebildet und hergestellt sein kann. Dabei können verschiedene konventionelle Leistungshalbleiterchips 1 auch mit unterschiedlichen konventionellen Verbindungstechniken mit der Metallisierung 51 verbunden sein. Ebenso können sämtliche konventionellen, auf dem Keramiksubstrat 5 angeordneten Leistungshalbleiterchips 1 mit derselben konventionellen Verbindungstechnik mit der oberen Metallisierung 51 verbunden sein.
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Entsprechend sind die modernen, schnell schaltenden und bei hohen Temperaturen betriebenen Leistungshalbleiterchips 2 jeweils mit einer hochtemperaturfesten Verbindungsschicht, die wie die in 1 erläuterte Verbindungsschicht 16 aufgebaut sein kann, mit der oberen Metallisierung 51 verbunden. Hierbei können verschiedene Leistungshalbleiterchips 2 auch mit unterschiedlichen hochtemperaturfesten Verbindungstechniken mit der Metallisierung 51 verbunden sein. Alternativ dazu können sämtliche auf dem Keramiksubstrat 5 angeordnete Leistungshalbleiterchips 2 mit derselben hochtemperaturfesten Verbindungstechnik mit der Metallisierung 51 verbunden sein.
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Weiterhin sind die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 an ihren oberen, aluminiumbasierten Chipmetallisierungen 11 mittels aluminiumbasierter Bonddrähte 71 verschaltet. Im Unterschied dazu sind die modernen, bei hohen Sperrschichttemperaturen betriebenen Leistungshalbleiterchips 2 an ihren kupferbasierten oberen Chipmetallisierungen 21 mittels kupferbasierter Bonddrähte 72 verschaltet.
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Weiterhin sind nahe bei den Leistungshalbleiterchips 2 des Wechselrichterschaltkreises W passive Bauelemente 80 wie z. B. Temperatursensoren, NTC-Widerstände (NTC = negative temperature coefficient), Shuntwiderstände oder Kondensatoren angeordnet. Diese passiven Bauelemente 80 weisen ebenfalls Metallisierungen auf, an denen sie mittels einer Diffusionslötschicht, einer Klebeschicht oder einer Silbersinterschicht mit dem Keramiksubstrat verbunden sind. Derartige passive Bauelemente 80 können auch bei Anordnungen gemäß den 1 bis 3 mit denselben Verbindungstechniken auf dem oder den selben Substrat(en) 4 angeordnet sein, auf denen auch ein Leistungshalbleiterchip 2 des Wechselrichterschaltkreises befindet.
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Um bei der Anordnung gemäß 8 die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1, deren konventionelle Verbindungsschichten, mit denen sie mit der Metallisierung 51 verbunden sind, sowie die Bonddrähte 71 von der hohen Temperatur entkoppeln, die beim Betrieb der modernen Leistungshalbleiterchips 2 anfällt, sind die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 und die modernen Leistungshalbleiterchips 2 beabstandet voneinander auf dem Keramiksubstrat 5 angeordnet. Der geringste Abstand d zwischen einem konventionellen Leistungshalbleiterchip 1 und einem modernen Leistungshalbleiterchip 2 kann beispielsweise größer als 5 mm oder größer als 10 mm gewählt werden. Dabei ist es zweckmäßig, die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 und die modernen Leistungshalbleiterchips 2 in jeweils räumlich getrennten Gruppen zusammenzufassen. Diese Gruppen weisen dann voneinander ebenfalls den Abstand d auf.
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Bei dem Beispiel gemäß 8 sind die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 Bestandteil einer Gleichrichterschaltung G, die einer vergleichsweise geringen Temperaturwechselbelastung ausgesetzt ist. Dem gegenüber sind die modernen Leistungshalbleiterchips 2 Bestandteil einer Wechselrichterschaltung W. Sie sind wesentlich höheren Sperrschichttemperaturen und Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt als die konventionellen Leistungshalbleiterchips 1.
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Wird das Keramiksubstrat in einem bodenplattenlosen Leistungshalbleitermodul eingesetzt, so bildet die der oberen Metallisierung 51 abgewandte Unterseite des Keramiksubstrats 5, welche eine untere Metallisierung aufweisen kann, einen Teil der Unterseite des Leistungshalbleitermoduls. Alternativ dazu kann ein gemäß den anhand von 8 erläuterten Prinzipien aufgebautes und bestücktes Keramiksubstrat 5 auch in einem Leistungshalbleitermodul mit Bodenplatte eingesetzt werden. Hierzu wird das Keramiksubstrat 5 mit seiner in 8 verdeckten unteren Metallisierung mit der Oberseite 91 einer gestrichelt dargestellten Bodenplatte 9 verbunden. Die Herstellung und der Aufbau der hierzu eingesetzten Verbindungsschicht entspricht der Herstellung und dem Aufbau der in den 2 und 3 erläuterten Verbindungsschicht 96.
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9 zeigt ein Schaltbild mit einem Teilschaltbild eines Leistungshalbleitermoduls 100, das konventionelle Leistungshalbleiterchips 1 für eine Gleichrichterschaltung G und moderne Leistungshalbleiterchips 2 für eine Wechselrichterschaltung W enthält. Das Gesamtschaltbild zeigt unter anderem ein beispielhaft dreiphasiges Netz N, mit dem ein niederfrequenter Wechselstrom, beispielsweise ein Drehstrom mit 25 Hz, 50 Hz oder 60 Hz, bereitgestellt und mittels des Gleichrichterkreis G zur Bereitstellung einer Zwischenkreisspannung U1(+) - U1(-) gleichgerichtet wird. Der Gleichrichterkreis G umfasst für jede Phase des Netzes N zwei in Reihe geschaltete Gleichrichterbauelemente 1, die wie gezeigt als Dioden oder alternativ als Thyristoren ausgebildet sein können. Bei den Gleichrichterbauelementen 1 des Gleichrichterkreises G handelt es sich um konventionelle, langsam schaltende Leistungshalbleiterchips mit aluminiumbasierten Chipmetallisierungen.
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Ein im allgemeinen erforderlicher Zwischenkreiskondensator zur Glättung der Zwischenkreisspannung ist nicht dargestellt. Ein solcher kann bei Bedarf außerhalb oder innerhalb des Gehäuses des Leistungshalbleitermoduls 100 angeordnet sein.
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Die Zwischenkreisspannung wird zur Bereitstellung einer hochfrequent getakteten, beispielhaft dreiphasigen Ausgangsspannungsversorgung U1, U2, U3 aufbereitet. Die Taktfrequenz, die höher ist als die Frequenz des Netzes N, kann beispielsweise mehr als 500 Hz betragen. Die Frequenz hängt von der Sperrspannungsklasse der Leistungshalbleiterchips 2 des Wechselrichterschaltkreises ab. Beispielsweise kann die Frequenz 500 Hz bei einer zulässigen Sperrspannung von 3,3 kV betragen, oder 1 kHz bei einer zulässigen Sperrspannung von 1,7 kV, oder 2 kHz bei einer zulässigen Sperrspannung von 1,2 kV. Die Ausgangsspannungsversorgung dient zum Betrieb einer elektrischen Last, beispielsweise eines Elektromotors.
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Zur Aufbereitung der Zwischenkreisspannung ist für jede Phase der bereitzustellenden Ausgangsspannungsversorgung U1, U2, U3 ein Halbbrückenzweig vorgesehen, an dem jeweils die Zwischenkreisspannung anliegt. Jeder der Halbbrückenzweige umfasst zwei steuerbare Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise die gezeigten IGBTs, oder aber MOSFETs oder JFETs, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind. Zu einer jeder der Laststrecken der steuerbaren Leistungshalbleiterschalter ist eine schnell schaltende Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Bei den steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern und den Freilaufdioden des Wechselrichterkreises W handelt es sich um moderne, schnell schaltende Leistungshalbleiterchips mit kupferbasierten Chipmetallisierungen.
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In einem Leistungshalbleitermodul 100 gemäß dem in 9 gezeigten Teilschaltbild können sämtliche der konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 des Leistungshalbleitermoduls 100 auf einem ersten Keramiksubstrat (siehe beispielsweise das Keramiksubstrat 3 in den 1, 2 und 3) und sämtliche modernen Leistungshalbleiterchips 2 auf einem zweiten Keramiksubstrat (siehe beispielsweise das Keramiksubstrat 4 in den 1, 2 und 3) angeordnet werden. Generell kann eine beliebige Teilmenge der konventionellen Leistungshalbleiterchips 1 des Leistungshalbleitermoduls 100 auf einem ersten Keramiksubstrat (siehe beispielsweise das Keramiksubstrat 3 in den 1, 2 und 3) und eine beliebige Teilmenge der modernen Leistungshalbleiterchips 2 des Leistungshalbleitermoduls 100 auf einem zweiten Keramiksubstrat (siehe beispielsweise das Keramiksubstrat 4 in den 1, 2 und 3) angeordnet werden. Außerdem können verschiedene konventionelle Leistungshalbleiterchips 1 auf verteilt zwei oder mehr Keramiksubstraten angeordnet sein. Dasselbe gilt entsprechend für verschiedene moderne Leistungshalbleiterchips 2, d.h. verschiedene moderne Leistungshalbleiterchips 2 können auf zwei oder mehr Keramiksubstraten verteilt angeordnet sein.
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Die Anzahl der Phasen des Netzes N ist grundsätzlich beliebig. Das gleiche gilt für die Anzahl der Phasen der Ausgangsspannungsversorgung U1, U2, U3. Untereinheiten der Einheit aus Gleich- und Wechselrichterschaltung G, W können auch auf zwei oder Leistungshalbleitermodule mit jeweils einem eigenen Gehäuse verteilt werden. Der Aufbau solcher Leistungshalbleitermodule kann gemäß dem Prinzip erfolgen, das anhand der 1 bis 8 erläutert wurde, was voraussetzt, dass innerhalb des betreffenden Modulgehäuses wenigstens ein konventioneller Leistungshalbleiterchip 1 mit aluminiumbasierter Chipmetallisierung und wenigstens ein moderner Leistungshalbleiterchip 2 mit kupferbasierter Chipmetallisierung vorgesehen ist.
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10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls 100. Das Gehäuse und die Vergussmasse sind entfernt. Auf einer gemeinsamen Bodenplatte 9 sind mehrere Keramiksubstrate 3, 4 angeordnet und mit deren Oberseite 91 fest verbunden. Die Keramiksubstrate 3, 4 weisen auf ihren Oberseiten strukturierte Metallisierungen 31 bzw.41 auf, sowie auf ihren Unterseiten Metallisierungen (in 10 verdeckt). Weiterhin sind außer den dicken Laststrom-Anschlusslaschen 50, 51, 52 Anschlusslaschen 53 vorgesehen, die dazu dienen, dem Leistungshalbleitermodul 100 Steuersignale zuzuführen oder z. B. Statussignale oder beliebige andere Signale des Leistungshalbleitermoduls 100 bereitzustellen. Die Anschlusslaschen 50, 51, 52, 53 dienen in jedem Fall dazu, das Leistungshalbleitermodul 100 außerhalb des Gehäuses elektrisch zu kontaktieren.
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Zumindest einzelne der Anschlusslaschen 50, 51, 52, 53 können abgewinkelte Fußbereiche 50b, 51b (verdeckt), 52b (verdeckt) bzw. 53b aufweisen, mit denen die betreffende Anschlusslasche 50, 51, 52, 53 fest mit einer oberen Metallisierung eines Keramiksubstrates verbunden ist. Als Verbindungstechniken hierzu eignen sich beispielsweise Schmelzlöten, Diffusionslöten, elektrisch leitendes Kleben, Niedertemperaturdrucksintern mit einer Silberpaste, oder Ultraschallschweißen.
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Außer den Keramiksubstraten 3 und 4, die ebenso aufgebaut, bestückt und mit der Oberseite 91 der Bodenplatte 9 verbunden sein können wie die vorangehend beschriebenen Keramiksubstrate 3 bzw. 4, sind weitere Keramiksubstrate 6 vorgesehen, die ebenfalls eines strukturierte obere Metallisierung 61 aufweisen, sowie eine (verdeckte) untere Metallisierung, welche mit der Oberseite 91 der Bodenplatte 9 mittels einer Schmelzlotschicht, einer Diffusionslotschicht, einer Klebeschicht, oder einer Silbersinterschicht verbunden sein kann. Das Keramiksubstrat 6 ist mit einem passiven Bauelement 80, hier beispielhaft einem NTC-Temperaturfühler, bestückt. Dieser weist zumindest eine Metallisierung auf, mit der er elektrisch leitend, beispielsweise durch Schmelzlöten, Diffusionslöten, elektrisch leitendes Kleben, oder Niedertemperaturdrucksintern mit einer Silberpaste mit der Metallisierung 61 verbunden werden kann.
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Mit der Erfindung kann eine thermische Entkopplung zwischen den Leistungshalbleiterchips des Gleichrichterschaltkreises und den Leistungshalbleiterchips des Wechselrichterschaltkreises erreicht werden, so dass innerhalb des Leistungshalbleitermoduls ein Temperaturgefälle von den Leistungshalbleiterchips des Wechselrichterschaltkreises hin zum Gleichrichterschaltkreis entsteht. Hierdurch können die Leistungshalbleiterchips des Wechselrichterschaltkreise bei Sperrschichttemperaturen (z. B. bei 175°C oder bei 200°C) betrieben werden, die deutlich höher sind als die Sperrschichttemperaturen (z. B. 125°C oder 150°C) der Leistungshalbleiterchips des Gleichrichterschaltkreises.