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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Vorder- und Rückseite eines Substrats eines sandwichartigen Leistungsmoduls, aufweisend einen klammerartigen Grundkörper, sowie die Verwendung der Verbindungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Kontaktierung eines Substrats eines sandwichartigen Leistungsmoduls, insbesondere zur Bereitstellung einer Feedback-Schleife.
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Stand der Technik
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Leistungshalbleiter wie beispielsweise auf Silizium-Carbid (SiC) basierende Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) und diese umfassende Bauelemente sind bekannt.
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Für derartige Halbleiterbauelemente ist die Anwendung einer Feedback-Schleife aus dem Stand der Technik bekannt, welche eine Gate-Source Spannung durch sogenanntes Source-Feedback oder Source-Degeneration gezielt verringert. Hierbei wird eine Impedanz im Source Pfad zur Beeinflussung der Gate-Spannung vorgesehen, welche zur Bereitstellung eines Spannungsabfalls dient. Dies kann insbesondere in Fehlerfällen, wie beispielsweise einem Kurzschlussfall, dazu dienen, negative Auswirkungen auf das Bauelement zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
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Ebenfalls bekannt sind aus dem Stand der Technik Leistungsmodule mit einer Sandwich-Konstruktion, welche einen Leistungshalbleiter, insbesondere einen SiC MOSFETs aufweisen, der zwischen zwei keramischen Substraten mit je zweiseitiger Metallisierung angeordnet ist, welche zum Leiten der elektrischen Ströme genutzt werden. Ein oberes Substrat wird dabei auch für die Anbindung der Steuersignale, insbesondere Gate und Kelvin Source der MOSFETs, mittels Drahtbondverbindung genutzt. Dazu wird der Leistungshalbleiter mit der metallischen Vorderseite des oberen Substrats mittels Drahtbonds kontaktiert. Die Vorder- bzw. Oberseite des oberen Substrats ist dabei entsprechend strukturiert, um die unterschiedlichen Signale voneinander elektrisch zu isolieren. Aufgrund der Verwendung von keramischen Substraten in derartigen Leistungsmodulen sind Durchkontaktierungen bzw. VIAs insbesondere unter Serienfertigungsbedingungen nicht möglich, so dass die beiden Metallisierungen des oberen Substrats auf dessen Vorder- und Rückseite nicht miteinander verbunden werden können und somit kein Source Feedback innerhalb des Substrats ermöglicht wird. Alternativ könnte eine Verbindung von der Vorderseite des oberen Substrats mittels Drahtbonds auf die Vorderseite des unteren Substrats bereitgestellt werden, da die Rückseite des oberen Substrats mit der Vorderseite des unteren Substrats in Verbindung steht. Auch dies ist bei derartigen Leistungsmodulen nicht möglich, da es üblicherweise nicht genügend Freiraum gibt, um die um die Verbindung ohne Kollision von Bondwerkzeug mit dem Substrat herzustellen bzw. da die nutzbaren Flächen bereits für die externe Kontaktierung des Leistungsmoduls blockiert sind.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die vorbeschriebenen Nachteile zu adressieren und eine verbessertes Kontaktierungsmöglichkeit bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Vorder- und Rückseite eines Substrats eines sandwichartigen Leistungsmoduls, aufweisend einen klammerartigen Grundkörper mit einem ersten Kontaktschenkel zur Kontaktierung einer Vorderseite des Substrats und einen gegenüberliegend angeordneten zweiten Kontaktschenkel zur Kontaktierung einer Rückseite des Substrats, sowie ein sich zwischen einem jeweiligen Ende des ersten und zweiten Kontaktschenkels erstreckendes Verbindungselement.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ermöglicht die Bereitstellung eines Source Feedbacks ohne Durchkontaktierung bzw. VIAs von der Vorderzur Rückseite des Substrats mittels seitlicher Verbindung bzw. Kantenverbindung. Hierbei wird das Kurzschlussverhalten des Leistungsmoduls begünstigt, sowie der Platzbedarf für die Verdrahtung der Steueranschlüsse der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente reduziert. Weiterhin wird eine höhere Zuverlässigkeit der Verbindung erzielt, welche zudem vorgefertigt und geprüft werden kann. Ebenso kann eine höhere Stromtragfähigkeit gegenüber Drahtbonds erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft ausgebildet, insbesondere eine Metallisierung der Vorderseite mit einer Metallisierung der Rückseite des Substrats elektrisch leitend zu verbinden. Die Metallisierung der Vorderseite und die Metallisierung der Rückseite sind dabei vorzugsweise voneinander durch eine vorgesehene, zwischenliegende Isolationsschicht getrennt. Das Substrat ist vorzugsweise ein keramisches Substrat, welcher weiter vorteilhaft keine Durchkontaktierungen bzw. VIAs aufweist.
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Der Grundkörper der Vorrichtung ist vorzugsweise als metallische Klammer ausgebildet. Der Grundkörper der Vorrichtung kann weiter vorteilhaft als einteilig ausgebildete, im Wesentlichen U-förmige Klammer, und vorzugsweise als Stanz-/Biegeteil, ausgebildet sein. Der erste und zweite Kontaktschenkel und/oder das Verbindungselement sind vorteilhaft als Flachprofil ausgebildet. Weiter bevorzugt weisen der erste und zweite Kontaktschenkel wenigstens einen jeweiligen Kontaktbereich auf, welcher ausgebildet ist, mit einer Vorder- bzw. Rückseite des Substrats stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißen wie Laser oder Ultraschallschweißen, Löten oder Leitkleben, verbunden zu werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Verbindungselement lediglich von dem ersten Verbindungsschenkel zum zweiten Verbindungsschenkel. Das Verbindungselement erstreckt sich hierbei vorzugsweise orthogonal zu einer Erstreckungsrichtung des ersten und zweiten Verbindungsschenkels. Weiter vorteilhaft ist das Verbindungselement als im wesentlichen flachprofilartiges Element ausgebildet, welches frei von Erhebungen und/oder Erstreckungen und insbesondere frei von sich davon erstreckenden Kontaktelementen wie beispielsweise Kontaktpins ist. Hierdurch kann der Bauraumbedarf der Verbindungsvorrichtung weiter minimiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste und/oder zweite Kontaktschenkel sich davon erstreckende oder darin integrierte Positioniermittel, welche ausgebildet sind, in eine Strukturierung des Substrats des sandwichartigen Leistungsmoduls einzugreifen. Die Positioniermittel sind vorteilhaft ausgebildet, mit der entsprechenden Strukturierung des Substrats im verbundenen Zustand formschlüssig zusammenzuwirken. Hierdurch kann die Verbindungsvorrichtung gegenüber dem Substrat positionsfest angeordnet bzw. sicher positioniert werden.
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Die Positioniermittel können vorteilhaft wenigstens ein sich einseits oder beidseits des ersten und/oder zweiten Kontaktschenkels in Längserstreckungsrichtung ersteckendes und vorzugsweise als Flachprofil ausgeführtes Führungselement aufweisen. Weiter vorteilhaft können die Positioniermittel wenigstens ein, an wenigstens einem Kontaktschenkel, vorzugsweise in einem distalen Bereich, angeordnetes Rastelement umfassen. Dieses kann in eine vorgesehene Rastnase am Substrat im verbundenen Zustand zwischen Vorrichtung und Substrat eingreifen und die Vorrichtung somit positionssicher halten.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung der Verbindungsvorrichtung wie vorgehend beschrieben zur Verbindung einer Vorder- und Rückseite eines Substrats eines sandwichartigen Leistungsmoduls, insbesondere zur Bereitstellung eines Source Feedbacks am Substrats. Die Verbindungsvorrichtung stellt dabei eine Kantenverbindung am Substrat bereit, welche seitlich des Substrats, d.h. nicht mittels Durchgangsbohrung durch das Substrat, verläuft.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein sandwichartiges Leistungsmodul aufweisend ein erstes und zweites Substrat, und einen zwischenliegenden Leistungshalbleiter, wobei das Leistungsmodul eine Verbindungsvorrichtung wie vorgehend beschrieben aufweist.
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Durch die Verbindungsvorrichtung können bei derartigen Leistungsmodulen die sogenannten Kelvin Source Bonds entfallen, da die Verbindung über die Rückseite des Substrats erfolgt. Hierbei wird auf der Vorderseite des Substrats ein erheblicher Platzgewinn erzielt, da darauf die Kontaktbereiche für die Kelvin Source Bonds entfallen. Der hierdurch erzielte zusätzliche Platz kann vorteilhaft für die Strukturierung und Leitungsführung genutzt werden. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Source Feedback implementiert, wodurch das Kurzschlussverhalten des Leistungsmoduls verbessert wird.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen soll bezüglich der weiteren Merkmale des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls auf die vorgehend beschriebenen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen werden, welche als gleichermaßen für das erfindungsgemäße System offenbart und beanspruchbar gelten sollen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt einen Schnitt durch eine Leistungsmodul mit einem sandwichartigen Aufbau aus dem Stand der Technik,
- 2 zeigt eine Schnittansicht einer Verbindungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 3a-c zeigen eine seitliche Schnittansicht, eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht einer Verbindungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 4a,b zeigen eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht einer Verbindungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 5 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Verbindungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 6 zeigt einen Schnitt durch eine Leistungsmodul mit einem sandwichartigen Aufbau und einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Leistungsmoduls 20' mit einem oberen Substrat 21a, eine unteren Substrat 21b und einem zwischenliegend angeordneten Leistungshalbleiter 24, vorzugsweise einem SiC MOSFET.
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Der Leistungshalbleiter 24 ist hierbei mittels Fügestellen 26a,b mit dem oberen und unteren Substrat 21a,b verbunden. Weiterhin ist der Leistungshalbleiter 24 mit der Vorderseite des oberen Substrats 21a mittels Drahtbonds 25 kontaktiert. Hierdurch kann insbesondere eine Anbindung der Steuersignale insbesondere Gate und Kelvin Source des MOSFETs realisiert werden.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 10 für ein Substrat 21a. Diese umfasst einen klammerartigen Grundkörper 1 mit einem rückseitigen Verbindungselement 4 und zwei sich an gegenüberliegenden Enden davon erstreckenden, ersten und zweiten Kontaktschenkel 2,3. Der Grundkörper 1 ist dabei vorzugsweise flachprofilartig ausgebildet, wobei sich die beiden Verbindungsschenkel im Wesentlichen senkrecht von dem rückseitigen Verbindungselement 4 erstrecken.
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Die Verbindungsschenkel 2,3 weisen dabei jeweils einen Kontaktbereich 8 auf, welcher ausgebildet ist, mit einer Vorder- bzw. Rückseite 22a,b des Substrats 21a und insbesondre mit einer darauf angeordneten Metallisierung stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder Leitkleben, verbunden zu werden. Die Metallisierungen von Vorder- und Rückseite des Substrats 21a sind mittels einer zwischenliegenden Isolation 27 voneinander getrennt. Das Substrat 21a ist vorzugsweise ein keramisches Substrat, welcher weiter vorteilhaft keine Durchkontaktierungen bzw. VIAs aufweist.
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Die Vorrichtung 10 ist vorteilhaft ausgebildet, auf eine seitliche Kante des Substrats 21a aufgeschoben zu werden. Anschließend wird eine elektrische und mechanische Verbindung mit dem Substrat 21a mittels Löten (selektiv, Reflow, ...), Leitkleben (z.B. elektrisch leitfähiger Klebstoff mit Silberfüllung) oder Schweißen (Laser, Ultraschall, Widerstand, ...) erzeugt. Die Verbindungsvorrichtung stellt dabei im Gegensatz zu den bekannten Bonddrähten ein vorgefertigtes Bauelement dar, wodurch das Risiko für Ausschuss im weiteren Fertigungsprozess gesenkt werden kann.
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Die Kantenverbindung mittels der Vorrichtung 10 am Substrat 21a kann punktuell erfolgen, aufgeteilt auf mehrere Punkte mit mehreren Verbindungsvorrichtungen 10, mit einer Vorrichtung 10 mit Kammstruktur oder mit einem räumlich skalierten Vorrichtung 10, welche eine breitere und/oder tiefere Kontaktierung des Substrats erlaubt.
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Die gezeigte im Wesentlichen U-förmige Ausbildung der Vorrichtung 10 bzw. des Grundkörpers 1 der Vorrichtung kann vorteilhaft als federndes Element ausgebildet sein, welches eine Kontaktierung der Vorder- und Rückseite 22a,22b bzw. der darauf angeordneten Metallisierungen durch Klemmwirkung erreicht. Hierdurch kann eine Fügeprozess, bspw. ein Löten oder Schweißen, entfallen. Weiter vorteilhaft kann die Vorrichtung ausgebildet sein, eine Schneid-Klemmverbindung bereitzustellen, so dass die Klammer beim Anordnung bzw. Aufschieben der Vorrichtung 10 in die Metallisierung(en) des Substrats 21a einschneidet und eine formschlüssige und dadurch gasdichte Verbindung ermöglicht. Hierfür kann die Vorrichtung 10 wenigstens in einem Kontaktbereich 8 eine schneidenförmige Erhebung aufweisen. Dies ist vorteilhaft integral bzw. einstückig mit dem Grundkörper 1 ausgebildet. Bei einer derartigen Schneid-Klemmverbindung kann nach dem Anbringen der Verbindungsvorrichtung 10 am Substrat 21a eine zusätzliche mechanische Fixierung am Substrat beispielsweise mittels Hartverguss- oder Transfer-Molding erzielt werden.
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3a bis 3c zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform. Der klammerartige Grundkörper 1 der Vorrichtung 10 ist hierbei ausgebildet, in eine Strukturierung 23 des Substrats 21s, beispielsweise einen vorgesehenen Ätzgraben, einzugreifen und somit ortsfest am Substrat positioniert zu werden.
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Hierbei weisen der erste und/oder zweite Kontaktschenkel 2,3 sich davon erstreckende oder darin integrierte Positioniermittel 5 auf, welche ausgebildet sind, in die Strukturierung 23 des Substrats 21a im Verbundenen Zustand einzugreifen. Die Positioniermittel 5 können, wie vorliegend gezeigt, zwei sich in Längsrichtung L erstreckende Führungselemente 6 aufweisen, welche sich beidseits eines als Flachprofil ausgebildeten ersten Kontaktschenkels 2 erstrecken und sich weiter bevorzugt nach oben, weg vom Grundkörper 1 erstrecken. Die Führungselemente 6 sind dabei vorzugsweise jeweils L-förmig ausgebildet und erstrecken sich im verbundenen Zustand entlang der Seitenwände eines Ätzgrabens 23 und parallel zur Vorderseite 22a. Ein Kontaktbereich 8 ist hierbei in einem Abschnitt vorgesehen, welcher parallel zur Vorderseite 22a angeordnet ist. Die Führungselemente 6 sind hierbei vorzugsweise integral, d.h. einstückig mit dem Grundkörper 1 der Vorrichtung 10 ausgebildet.
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4a und 4b zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 10, in welcher die Positioniermittel 5 ein sich lediglich einseitig angeordnetes Führungselement 6 aufweisen. Dieses erstreckt sich L-förmig entlang der Längsrichtung L des ersten und/oder zweiten Kontaktschenkels 2,3. Das Führungselement 6 ist hierbei bevorzugt nach unten, hin zum Inneren des Grundkörpers 1 gebogen angeordnet, derart, dass das Führungselement 6 in eine Strukturierung 23 des Substrats 21a eingreifen kann.
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5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, in welcher die Positioniermittel 5 wenigstens ein Rastelement 7 umfassen. Vorteilhaft sind zwei Rastelemente 7 am Grundkörper 1 vorgesehen, welche in einem distalen, d.h. endseitigen und dem Verbindungselement 4 gegenüberliegenden Bereich angeordnet sind. Die Rastelemente 7 sind hierbei ausgebildet und angeordnet, in eine Strukturierung wie beispielsweise einen in der Metallisierung und/oder der Vorder- und Rückseite 22a,22b des Substrats 21a angeordneten Ätzgraben 23 eingreifen zu können. Hierdurch kann der klammerartige Grundkörper 1 nach der Positionierung am Substrat 21a für einen anschließenden Fügeprozess in Position gehalten werden. Der klammerartige Grundkörper 1 ist hierbei vorzugsweise ausgebildet, ein Aufspreizen beim seitlichen Aufschieben der Vorrichtung 10 auf das Substrat 21a zu ermöglichen und die Vorrichtung 10 anschließend durch Feder-Wirkung in den ins Substrat geätzten Strukturen 23 zu halten.
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6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines sandwichartigen Leistungsmodul 20 aufweisend ein erstes und zweites Substrat 21a,b und einen zwischenliegenden Leistungshalbleiter 24, wobei das Leistungsmodul 20 eine Verbindungsvorrichtung 10 wie vorgehend beschrieben aufweist. Durch die Verbindungsvorrichtung 10 kann hierbei insbesondere eine Kontaktierung einer auf der Vorderseite 22a des ersten Substrats 21a angeordneten Metallisierung mit einer auf einer Rückseite 22b angeordneten Metallisierung erfolgen. Hierdurch kann eine elektrische Kontaktierung der Vorderseite 22a mit dem Leistungshalbleiter 24 bereitgestellt werden.
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Durch die mittels der Verbindungsvorrichtung 10 erzielte Kantenverbindung können im Leistungsmodul 20 die nach dem Stand der Technik üblichen Kelvin Source Bonds entfallen, da die Verbindung über die Rückseite 22b des Substrats 21a erfolgt, wie mittels der schematisch eingezeichneten Leitungsführung 28 dargestellt. Hierdurch wird auf der Vorderseite 22a des Substrats 21a ein erheblicher Platzgewinn erzielt. Dieser neu gewonnene Platz kann vorteilhaft für die Strukturierung und Leitungsführung am Leistungsmodul 20 genutzt werden. Durch die Bereitstellung der Kantenverbindung mittels der Verbindungsvorrichtung 10 wird weiterhin ein Source Feedback implementiert, wodurch das Kurzschlussverhalten des Leistungsmoduls 20 verbessert wird.