DE102020127606A1

DE102020127606A1 - Electronic power switching device with a heat-conducting device and method for its manufacture

Info

Publication number: DE102020127606A1
Application number: DE102020127606.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Oehling
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Danfoss Elektronik & Co Kg De GmbH
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN114388456A; DE102020127606B4

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Herstellung und eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem eine Normalenrichtung aufweisenden Substrat mit einer ersten und einer zweiten Leiterbahn, wobei auf der ersten Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung angeordnet ist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement einen seitlich umlaufenden Rand und auf seiner ersten, dem Substrat abgewandten Hauptseite einen Randbereich und einen Kontaktbereich aufweist, mit einer Verbindungseinrichtung, die mit einer Kontaktfläche des Kontaktbereichs elektrisch leitend verbunden ist, und mit einer Wärmeleiteinrichtung, die eine elektrisch isolierende, thermisch hoch leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung und dem Substrat ausbildet.Presented is a method for manufacturing and a power electronic switching device with a substrate having a normal direction with a first and a second conductor track, a power semiconductor component being arranged on the first conductor track by means of an electrically conductive connection, the power semiconductor component having a lateral peripheral edge and on its first , the main side facing away from the substrate has an edge area and a contact area, with a connecting device which is electrically conductively connected to a contact surface of the contact area, and with a heat conducting device which forms an electrically insulating, thermally highly conductive connection between the connecting device and the substrate.

Description

Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem Substrat mit einer ersten und einer zweiten Leiterbahn, wobei auf der ersten Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung angeordnet ist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement einen seitlich umlaufenden Rand und auf seiner ersten, dem Substrat abgewandten Hauptseite einen Randbereich und einen Kontaktbereich aufweist, mit einer Verbindungseinrichtung, die mit einer Kontaktfläche des Kontaktbereichs elektrisch leitend verbunden ist, und mit einer Wärmeleiteinrichtung. Die Erfindung beschreibt ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schalteinrichtung.The invention describes a power electronic switching device with a substrate with a first and a second conductor track, with a power semiconductor component being arranged on the first conductor track by means of an electrically conductive connection, the power semiconductor component having a lateral peripheral edge and an edge area on its first main side facing away from the substrate and has a contact area, with a connecting device which is electrically conductively connected to a contact surface of the contact area, and with a heat conducting device. The invention also describes a method for producing such a switching device.

Eine regelmäßige Anforderung an leistungselektronische Schalteinrichtungen und Leistungshalbleitermodule, die hiermit ausgebildet werden, ist, dass alle Komponenten, die sich im Betrieb erwärmen oder erwärmt werden, ausreichend, also insbesondere ohne negativen Einfluss auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit, gekühlt werden.A regular requirement for power electronic switching devices and power semiconductor modules that are formed with them is that all components that heat up or are heated up during operation are adequately cooled, ie in particular without negatively affecting the service life and performance.

Die DE 10 2015 116 165 A1 offenbart als Stand der Technik ein Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung. Hierbei wird ein Leistungshalbleiterbauelement auf einem ersten Bereich einer Leiterbahn eines Substrats angeordnet. Anschließend wird eine Isolationsfolie mit einer Aussparung bereitgestellt, wobei ein zu dieser Aussparung benachbarter Überlappungsbereich der Isolationsfolie dazu ausgebildet ist einen Randbereich des Leistungshalbleiterbauelements zu überdecken. Danach folgt das Anordnen der Isolationsfolie auf dem Substrat mit angeordnetem Leistungshalbleiterbauelement derart, dass das Leistungshalbleiterbauelement in seinem Randbereich allseits von dem Überdeckungsbereich der Isolationsfolie überdeckt wird, wobei ein weiterer Abschnitt der Isolationsfolie Teile einer der Leiterbahnen überdeckt. Abschließend wird die Verbindungseinrichtung angeordnet.the DE 10 2015 116 165 A1 discloses as prior art a method for producing a power electronic switching device. In this case, a power semiconductor component is arranged on a first area of a conductor track of a substrate. An insulating film with a cutout is then provided, with an overlapping region of the insulating film adjacent to this cutout being designed to cover an edge region of the power semiconductor component. This is followed by arranging the insulating film on the substrate with the power semiconductor component arranged in such a way that the edge region of the power semiconductor component is covered on all sides by the covering region of the insulating film, with a further section of the insulating film covering parts of one of the conductor tracks. Finally, the connecting device is arranged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung der internen Verbindungseinrichtung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung, insbesondere in der unmittelbaren Nähe eines Leistungshalbleiterbauelements, zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen leistungselektronischen Schalteinrichtung anzugeben.The object of the invention is to improve the cooling of the internal connection device of a power electronic switching device, in particular in the immediate vicinity of a power semiconductor component, and to specify a method for producing such a power electronic switching device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem eine Normalenrichtung aufweisenden Substrat mit einer ersten und einer zweiten Leiterbahn, wobei auf der ersten Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung angeordnet ist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement einen seitlich umlaufenden Rand und auf seiner ersten, dem Substrat abgewandten Hauptseite einen Randbereich und einen Kontaktbereich aufweist, mit einer Verbindungseinrichtung, die mit einer Kontaktfläche des Kontaktbereichs elektrisch leitend verbunden ist, und mit einer Wärmeleiteinrichtung, die eine elektrisch isolierende, thermisch hoch leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung und dem Substrat ausbildet.This object is achieved according to the invention by a power electronic switching device with a substrate having a normal direction with a first and a second conductor track, a power semiconductor component being arranged on the first conductor track by means of an electrically conductive connection, the power semiconductor component having a laterally peripheral edge and on its first, has an edge region and a contact region on the main side facing away from the substrate, with a connecting device which is electrically conductively connected to a contact surface of the contact region, and with a heat conducting device which forms an electrically insulating, thermally highly conductive connection between the connecting device and the substrate.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Wärmeleiteinrichtung einen thermisch leitenden Kontakt mit der zweiten Leiterbahn, und vorzugsweise auch mit der ersten Leiterbahn, aufweist.It can be advantageous if the heat-conducting device has a thermally conductive contact with the second conductor track, and preferably also with the first conductor track.

Es kann bevorzugt sein, wenn aus Normalenrichtung betrachtet die Wärmeleiteinrichtung seitlich beabstandet vom Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist.It can be preferred if, viewed from the normal direction, the heat-conducting device is arranged at a lateral distance from the power semiconductor component.

Grundsätzlich kann es bevorzugt sein, wenn die Verbindungseinrichtung ausgebildet ist als ein Bonddraht, als ein starrer Metallformkörper oder als eine elektrisch leitfähige, vorzugsweise metallische, Folie, ihrerseits vorzugsweise als Teil eines Folienstapels, alternierend ausgebildet aus elektrisch leitfähigen und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie. Unter dem Begriff Bonddraht soll auch ein Bondbändchen, insbesondere eines gemäß dem Stand der Technik, verstanden werden.In principle, it can be preferred if the connecting device is designed as a bonding wire, as a rigid metal molded body or as an electrically conductive, preferably metallic, film, in turn preferably as part of a film stack, formed alternately from electrically conductive and at least one electrically insulating film. The term bonding wire should also be understood to mean a bonding ribbon, in particular one according to the prior art.

Ebenso kann es bevorzugt sein, wenn ein erster Isolationsstoff am Rand und teilweise auch an einem anschließenden Abschnitt des Randbereichs des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.Likewise, it can be preferred if a first insulating material is arranged on the edge and partially also on an adjoining section of the edge region of the power semiconductor component.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleiteinrichtung ausgebildet ist als ein starrer Isolationsformkörper mit einer ersten und dieser gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche oder als ein zweiter, elastischer, vorzugsweise gelartiger, während seiner Anordnung zähflüssiger, Isolationsstoff.It is particularly advantageous if the heat-conducting device is designed as a rigid insulating molded body with a first and opposite second contact surface or as a second, elastic, preferably gel-like insulating material that is viscous during its arrangement.

Hierbei kann der starre Isolationsformkörper eine Dicke aufweisen, die von der des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements um nicht mehr als 25%, vorzugsweise nicht mehr als 10% abweicht oder er weist eine Dicke auf, die vom Dreifachen der Dicke des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements um nicht mehr als 25%, vorzugsweise nicht mehr als 10% abweicht.In this case, the rigid insulating molded body can have a thickness that deviates from that of the adjacent power semiconductor component by no more than 25%, preferably no more than 10%, or it has a thickness that is three times the thickness of the adjacent power semiconductor component by no more than 25%. , preferably no more than 10%.

Der starre Isolationsformkörper weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m·K, vorzugsweise von mehr als 140 W/m·K, auf und ist vorzugsweise aus Silizium oder Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid oder Bornitrid oder aus Zinkoxid oder Diamant ausgebildet, oder enthält diese Stoffe zu mehr als 30%, insbesondere mehr als 50%.The rigid molded insulation body preferably has a thermal conductivity of more than 100 W/m·K, preferably more than 140 W/m·K, and is preferably made of silicon or aluminum nitride or silicon carbide or boron nitride or formed from zinc oxide or diamond, or contains these substances to more than 30%, especially more than 50%.

Der starre Isolationsformkörper ist weiterhin bevorzugt quaderförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise seine größte Längsseite nicht länger ist als das 1 ,5-fache einer größten Längsseite des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements.The rigid molded insulating body is also preferably cuboid, with its longest side preferably being no longer than 1.5 times the longest side of the adjacent power semiconductor component.

Der zweite Isolationsstoff weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2,5 W/m·K, vorzugsweise von mehr als 5 W/m·K, auf und ist vorzugsweise aus einem Silikongel mit partikelförmigen Beimengungen aus Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid oder Bornitrid oder Zinkoxid oder Diamant ausgebildet.The second insulating material preferably has a thermal conductivity of more than 2.5 W/m·K, preferably more than 5 W/m·K, and is preferably made of a silicone gel with particulate admixtures of aluminum nitride or silicon carbide or boron nitride or zinc oxide or diamond educated.

Der zweite Isolationsstoff 40 kann an den ersten Isolationsstoff 80 angrenzend oder von diesem beabstandet angeordnet sein.The second insulating material 40 can be arranged adjacent to the first insulating material 80 or at a distance from it.

Durch die beschriebene Ausgestaltung und ihrer Varianten wird die Kühlung der internen Verbindungseinrichtung der leistungselektronischen Schalteinrichtung, insbesondere in der unmittelbaren Nähe eines Leistungshalbleiterbauelements erheblich verbessert und damit entweder die Stromtragfähigkeit gesteigert oder die Belastung reduziert und somit die Lebensdauer der leistungselektronischen Schalteinrichtung gesteigert.The configuration described and its variants considerably improve the cooling of the internal connection device of the electronic power switching device, particularly in the immediate vicinity of a power semiconductor component, and thus either increase the current-carrying capacity or reduce the load and thus increase the service life of the electronic power switching device.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Verfahrensschritten, in der Reihenfolge a-b-c-d-e oder a-b-d-c-e:

a) Bereitstellen des Substrats;
b) Anordnen des Leistungshalbleiterbauelements und der Wärmeleiteinrichtung, ausgebildet als ein starrer Isolationsformkörper;
c) Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung des Leistungshalbleiterbauelements mit einer zugeordneten Leiterbahn des Substrats und der Wärmeleiteinrichtung mit einer zugeordneten Leiterbahn des Substrats;
d) Anordnen der Verbindungseinrichtung;
e) Ausbilden jeweils einer kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung des Leistungshalbleiterbauelements und der Wärmeleiteinrichtung jeweils mit der Verbindungseinrichtung.

The object is also achieved by a method for producing a power electronic switching device according to one of the preceding claims with the method steps, in the order abcde or abdce:

a) providing the substrate;
b) arranging the power semiconductor component and the heat conducting device, designed as a rigid insulation molding;
c) Forming an integral connection of the power semiconductor component with an assigned conductor track of the substrate and of the heat-conducting device with an assigned conductor track of the substrate;
d) arranging the connecting device;
e) formation of a non-positive or material connection between the power semiconductor component and the heat-conducting device, each with the connecting device.

Es kann vorteilhaft sein, wenn vor dem Verfahrensschritt d) folgender Verfahrensschritt ausgeführt wird: Anordnen eines ersten gelartigen Isolationsstoffs auf dem Randbereich des Leistungshalbleiterbauelements.It can be advantageous if the following method step is carried out before method step d): Arranging a first gel-like insulating material on the edge region of the power semiconductor component.

Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Wärmeleiteinrichtung oder das Leistungshalbleiterbauelement, auch mehrfach in der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung vorhanden sein.Of course, unless this is excluded per se or explicitly, the features mentioned in the singular, in particular the heat conducting device or the power semiconductor component, can also be present multiple times in the power electronic switching device according to the invention.

Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, gleichgültig ob sie im Rahmen der Beschreibung der leistungselektronischen Schalteinrichtung oder des Verfahrens zu ihrer Herstellung offenbart sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various configurations of the invention, regardless of whether they are disclosed in the context of the description of the electronic power switching device or the method for its production, can be implemented individually or in any combination in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned and explained above and below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt eine seitliche Ansicht einer leistungselektronischen Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik.
2 bis 7 zeigen in seitlicher Ansicht jeweils eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung.
8 zeigt zur weiteren Erläuterung eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Leistungshalbleiterbauelement.
9 zeigt in Draufsicht eine Anordnung analog 6.

Further explanations of the invention, advantageous details and features result from the following description of the 1 until 9 schematically illustrated embodiments of the invention, or of respective parts thereof.

1 shows a side view of a power electronic switching device according to the prior art.
2 until 7 each show a side view of an embodiment of a power electronic switching device according to the invention.
8th FIG. 12 shows a plan view of an exemplary power semiconductor component for further explanation.
9 shows a top view of an arrangement analogous 6 .

1 zeigt eine seitliche Ansicht eines Teils einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Diese Schalteinrichtung 1 weist ein Substrat 2, mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten ersten und zweiten Leiterbahnen 22,24 auf. Auf der ersten Leiterbahn 22 des Substrats 2 ist ein Leistungshalbleiterbauelement 5 angeordnet und mit seiner der ersten Leiterbahn 22 zugewandten Kontaktfläche elektrisch leitend mit dieser verbunden. Diese elektrisch leitfähige Verbindung 900 ist hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als eine stoffschlüssige Drucksinterverbindung ausgebildet. 1 shows a side view of part of a power electronic switching device 1 according to the prior art. This switching device 1 has a substrate 2 with an insulating body 20 and first and second conductor tracks 22, 24 arranged thereon. A power semiconductor component 5 is arranged on the first conductor track 22 of the substrate 2 and is electrically conductively connected thereto with its contact surface facing the first conductor track 22 . This electrically conductive connection 900 is designed here, without restricting the generality, as a pressure-sintered connection that is integral with the material.

Das Leistungshalbleiterbauelement 5, genauer eine seiner dem Substrat 2 in dessen Normalenrichtung N abgewandten Kontaktflächen, ist mit einer zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 mittels einer Verbindungseinrichtung 3 verbunden. Diese Verbindungseinrichtung 3 ist ausgebildet als ein Folienverbund 32 aus einer, dem Substrat 2 zugewandten, ersten elektrisch leitfähigen Folie 320, einer im Folienverbund folgenden elektrisch isolierenden Folie 322 und einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten elektrisch leitfähigen Folie 324.The power semiconductor component 5, more precisely one of its contact surfaces facing away from the substrate 2 in its normal direction N, is connected to a second conductor track 24 of the substrate 2 by means of a connecting device 3. This connecting device 3 is designed as a foil composite 32 made of a first electrically conductive foil 320 facing the substrate 2, an electrically insulating foil 322 that follows in the foil composite, and a second electrically conductive foil 324 that follows in the foil composite.

Die leistungselektronische Schalteinrichtung 1 weist weiterhin Anschlusselemente 6, hier dargestellt als ein Hilfsanschlusselement zur Führung von Hilfspotentialen, wie beispielhaft Sensor- oder Ansteuersignalen, aber auch nicht dargestellte Lastanschlusselemente auf. Dieses dargestellte Anschlusselement 6 ist ausgebildet als ein fachübliches Press-Pin-Kontaktelement. Der Fuß dieses Anschlusselements 8 ist in einer Hülse angeordnet, die eine stoffschlüssige Verbindung zu einem Kontaktabschnitt auf der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche der ersten elektrisch leitfähigen Folie 320 aufweist. Fachüblich können die Anschlusselemente auch direkt auf einer der Leiterbahnen angeordnet sein. Das Anschlusselement reicht hier durch ein Gehäuse 7 eines Leistungshalbleitermoduls nach außen und bildet die externe Verbindung der leistungselektronischen Schalteinrichtung 1 im Inneren des Leistungshalbleitermoduls.The electronic power switching device 1 also has connection elements 6, shown here as an auxiliary connection element for carrying auxiliary potentials, such as sensor or control signals, for example, but also load connection elements (not shown). This connection element 6 shown is designed as a conventional press-pin contact element. The base of this connection element 8 is arranged in a sleeve which has a material connection to a contact section on the surface of the first electrically conductive film 320 facing away from the substrate 2 . As is customary in the art, the connection elements can also be arranged directly on one of the conductor tracks. The connection element here extends outwards through a housing 7 of a power semiconductor module and forms the external connection of the electronic power switching device 1 inside the power semiconductor module.

Die erste elektrisch leitfähige Folie 320 ist mit der zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 mittels einer stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindung 900, hier ausgebildet als fachübliche Drucksinterverbindung, verbunden.The first electrically conductive film 320 is connected to the second conductor track 24 of the substrate 2 by means of a materially bonded and electrically conductive connection 900, designed here as a conventional pressure sintered connection.

2 bis 7 zeigen in seitlicher Detailansicht jeweils eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Das Substrat 2 samt hierauf angeordnetem und elektrisch leitend verbundenem Leistungshalbleiterbauelement 5 entsprechen dem Stand der Technik, wie unter 1 beschreiben. Das Leistungshalbleiterbauelement 5 weist, vergleiche auch 8, einen seitlich umlaufenden Rand 50 und auf seiner ersten, dem Substrat 2 abgewandten Hauptseite 500 einen Randbereich 52 und einen Kontaktbereich 54 auf. Die jeweilige, im Folgenden genannte, Verbindungseinrichtung 3 ist mit einer Kontaktfläche 540 des Kontaktbereichs 54 elektrisch leitend verbunden. 2 until 7 each show a detailed side view of an embodiment of a power electronic switching device 1 according to the invention. The substrate 2 together with the power semiconductor component 5 arranged thereon and electrically conductively connected correspond to the prior art, as shown below 1 describe. The power semiconductor component 5 has, see also 8th , a lateral peripheral edge 50 and on its first main side 500 facing away from the substrate 2 an edge area 52 and a contact area 54 . The respective connecting device 3 mentioned below is electrically conductively connected to a contact surface 540 of the contact area 54 .

2 zeigt weiterhin eine Verbindungseinrichtung 3, die ausgebildet ist als ein fachüblicher starrer Metallformkörper 30, wie er in Form von Kupferbügeln seit vielen Jahre in Leistungshalbleitermodulen und damit auch in diese ausbildende leistungselektronischen Schalteinrichtungen Verwendung findet. Weiterhin fachüblich ist ein erster Isolationsstoff 80 am Rand 50 und teilweise auch an einem daran anschließenden Abschnitt des Randbereichs 52 des Leistungshalbleiterbauelements 5 angeordnet. Die Aufgabe dieses ersten Isolationsstoffs 80 ist die interne elektrische Isolierung der Schalteinrichtung 1 gegen Spannungsüberschläge. 2 FIG. 1 also shows a connecting device 3, which is designed as a customary rigid metal body 30, as has been used for many years in the form of copper brackets in power semiconductor modules and thus also in power electronic switching devices that form these. Furthermore, a first insulating material 80 is arranged on the edge 50 and partially also on a section of the edge region 52 of the power semiconductor component 5 adjoining it, as is customary in the art. The task of this first insulating material 80 is the internal electrical insulation of the switching device 1 against voltage flashovers.

Erfindungsgemäß ist eine Wärmeleiteinrichtung 4, die hier als ein zweiter Isolationsstoff 40 ausgebildet ist, zwischen der Verbindungseinrichtung 3 und dem Substrat 2 angeordnet. Selbstverständlich steht dieser zweite Isolationsstoff 40 hier in thermisch leitendem Kontakt mit beiden. Dieser zweite Isolationsstoff 40 weist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 10 W/m-K auf und ist ausgebildet aus einem Silikongel mit partikelförmigen Beimengungen, hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, Beimengungen aus Siliziumkarbid.According to the invention, a heat-conducting device 4 , which is designed here as a second insulating material 40 , is arranged between the connecting device 3 and the substrate 2 . Of course, this second insulating material 40 is in thermally conductive contact with both of them here. This second insulating material 40 has a thermal conductivity of approximately 10 W/m-K and is made from a silicone gel with particulate admixtures, here, without restricting the generality, admixtures of silicon carbide.

Der zweite Isolationsstoff 40 wird bei der Herstellung nach dem ersten Isolationsstoff 80 angeordnet und überlappt dessen Oberfläche teilweise. Beide Isolationsstoffe 40,80 sind bei ihrer Anordnung zähflüssig und vernetzen nach ihrer Anordnung thermisch oder vorzugsweise optisch mittels UV-Licht zu ihrem gelartigen Endzustand.During manufacture, the second insulating material 40 is arranged after the first insulating material 80 and partially overlaps its surface. Both insulating materials 40, 80 are viscous when they are arranged and, after being arranged, crosslink thermally or preferably optically by means of UV light to form their gel-like final state.

3 zeigt weiterhin eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1, die grundsätzlich bis auf die Ausgestaltung der Wärmeleiteinrichtung 4 derjenigen gemäß 2 gleicht. Hier ist die Wärmeleiteinrichtung 4 allerdings ausgebildet als ein starrer Isolationsformkörper 42 mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 120 W/m·K, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus Siliziumkarbid ausgebildet ist. 3 also shows a power electronic switching device 1, which in principle, except for the configuration of the heat-conducting device 4, according to FIG 2 equals. Here, however, the heat-conducting device 4 is in the form of a rigid insulating molded body 42 with a thermal conductivity of approximately 120 W/m·K, which is made of silicon carbide without restricting the generality.

Der starre Isolationsformkörper 42 ist mittels seiner ersten und dieser gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche sowohl mit der Verbindungseinrichtung 3 wie auch mit der ersten Leiterbahn 22 stoffschlüssig und thermisch leitend verbunden. Die jeweilige Verbindung 900 ist hier als Lotverbindung ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung besteht, im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 2, nur die thermisch leitfähige Verbindung zur ersten Leiterbahn 22, aber nicht zur zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2.The rigid insulating molded body 42 is connected to the connecting device 3 as well as to the first conductor track 22 in a cohesive and thermally conductive manner by means of its first and second contact surface lying opposite it. The respective connection 900 is designed here as a soldered connection. In this embodiment, in contrast to the embodiment according to 2 , only the thermally conductive connection to the first conductor track 22, but not to the second conductor track 24 of the substrate 2.

Der starre Isolationsformkörper 42 dieses Ausführungsbeispiels weist eine Dicke auf, die dem dreifachen der Dicke des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements 5 entspricht. Somit wird ein hervorragender Kompromiss aus dem Abstand der Verbindungseinrichtung 3 von der ersten Leiterbahn 22 und dem Wirkungsgrad der Wärmeableitung aus dieser Verbindungseinrichtung 3 erreicht.The rigid insulation molding 42 of this exemplary embodiment has a thickness which corresponds to three times the thickness of the adjacent power semiconductor component 5 . An excellent compromise between the distance between the connecting device 3 and the first conductor track 22 and the efficiency of the heat dissipation from this connecting device 3 is thus achieved.

4 zeigt weiterhin eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1, die grundsätzlich bis auf die Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung 3 derjenigen gemäß 2 gleicht. Die Verbindungseinrichtung 3 ist hier, ebenfalls fachüblich, ausgebildet als ein Folienstapel 32 mit zwei elektrisch leitenden und einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Folie. Die erste und zweite elektrisch leitfähige Folie 320,324 dieses Folienverbunds weisen jeweils eine Dicke von 200 µm auf, während die elektrisch isolierende Folie 322 eine Dicke von 80 um aufweist. 4 also shows a power electronic switching device 1, which in principle, except for the configuration of the connecting device 3 according to that 2 equals. The connecting device 3 is here, also customary in the art, designed as a foil stack 32 with two electrically conductive and one electrically iso arranged between them floating foil. The first and second electrically conductive foils 320, 324 of this composite foil each have a thickness of 200 μm, while the electrically insulating foil 322 has a thickness of 80 μm.

Die Wärmeleiteinrichtung 4 ist wiederum ausgebildet als ein zweiter, elastischer, während seiner Anordnung zähflüssiger Isolationsstoff 40, der hier eine thermisch hoch leitfähige, aber elektrisch isolierende Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung 3, hier deren erster elektrisch leitfähigen Folie 320, und der ersten und zweiten Leiterbahn 22,24 und damit dem Substrat 2 ausbildet.The heat conducting device 4 is in turn designed as a second, elastic insulating material 40, which is viscous during its installation and which here forms a highly thermally conductive but electrically insulating connection between the connecting device 3, here its first electrically conductive film 320, and the first and second conductor track 22 , 24 and thus the substrate 2 forms.

5 zeigt weiterhin eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1, die grundsätzlich bis auf die Ausgestaltung der Wärmeleiteinrichtung 4 derjenigen gemäß 4 gleicht. Hier ist die Wärmeleiteinrichtung 4 ausgebildet als ein starrer Isolationsformkörper 42 mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 180 W/m·K. Der starre Isolationsformkörper 42 ist sowohl mit der Verbindungseinrichtung 3 wie auch mit der ersten und zweiten Leiterbahn 22,24 stoffschlüssig, elektrisch isolierend und thermisch leitend verbunden. Die jeweilige Verbindung 900 ist hier als Drucksinterverbindung ausgebildet. 5 also shows a power electronic switching device 1, which in principle, except for the configuration of the heat-conducting device 4, according to FIG 4 equals. Here, the heat-conducting device 4 is designed as a rigid insulating molded body 42 with a thermal conductivity of approximately 180 W/m·K. The rigid insulation molded body 42 is connected to the connecting device 3 as well as to the first and second conductor tracks 22, 24 in a materially bonded, electrically insulating and thermally conductive manner. The respective connection 900 is designed here as a pressure sintered connection.

Auch hier weist der starre Isolationsformkörper 42 eine Dicke auf, die ca. dem dreifachen der Dicke des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements 5 entspricht.Here, too, the rigid molded insulation body 42 has a thickness which corresponds to approximately three times the thickness of the adjacent power semiconductor component 5 .

6 zeigt weiterhin eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1, die grundsätzlich bis auf die Anordnung und die geometrische Ausgestaltung der Wärmeleiteinrichtung 4 derjenigen gemäß 5 gleicht. Ebenfalls unterschiedlich, allerdings nicht erfindungsrelevant, ist die Ausdehnung der ersten Isolationsstoffs 80, der hier bis über den Rand der ersten Leiterbahn 22 hinaus bis an die zweite Leiterbahn 24 heranreicht. 6 also shows a power-electronic switching device 1, which is basically the same as that according to FIG 5 equals. Also different, but not relevant to the invention, is the extent of the first insulating material 80, which here extends beyond the edge of the first conductor track 22 to the second conductor track 24.

Die Wärmeleiteinrichtung 4 ist wiederum als ein starrer Isolationsformkörper 42 mit einer ersten und dieser gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche ausgebildet und weist hier eine Dicke auf, die derjenigen des benachbarten Leistungshalbleiterbauelements 5 entspricht. Der starre Isolationsformkörper 42 ist hier ausschließlich mit der zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 und mit der Verbindungseinrichtung 3 thermisch leitend verbunden. Die jeweilige Verbindung 900 ist wiederum als Drucksinterverbindung ausgebildet. Alternativ kann zumindest eine der beiden Verbindungen auch als kraftschlüssige Verbindung ausgebildet sein. Hierbei würde ein gestrichelt dargestellter Druckkörper 70 aus der Normalenrichtung N auf die Verbindungseinrichtung 3 drücken und somit die kraftschlüssige Verbindung ausbilden.The heat conducting device 4 is in turn embodied as a rigid insulating molded body 42 with a first contact surface and a second contact surface opposite thereto and has a thickness here that corresponds to that of the adjacent power semiconductor component 5 . The rigid molded insulation body 42 is thermally conductively connected here exclusively to the second conductor track 24 of the substrate 2 and to the connecting device 3 . The respective connection 900 is in turn designed as a pressure sintered connection. Alternatively, at least one of the two connections can also be designed as a non-positive connection. In this case, a pressure body 70 shown in dashed lines would press from the normal direction N onto the connecting device 3 and thus form the non-positive connection.

7 zeigt weiterhin eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1, die grundsätzlich bis auf die Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung 3 derjenigen gemäß 2 gleicht. Die Verbindungseinrichtung 3 ist hier als ein fachüblicher Bonddraht, wegen der größeren Kontaktfläche bevorzugt als ein fachübliches Bondbändchen 34, ausgebildet. 7 also shows a power electronic switching device 1, which in principle, except for the configuration of the connecting device 3 according to that 2 equals. The connecting device 3 is designed here as a conventional bonding wire, preferably as a conventional bonding ribbon 34 because of the larger contact area.

Zudem überlappt hier der zweite Isolationsstoff 40 nicht nur den ersten Isolationsstoff 80, sondern in Projektion betrachtet auch das Leistungshalbleiterbauelement 5 und ist somit, wiederum in Projektion, also aus Normalenrichtung N betrachtet, nicht wie in den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen von diesem lateral, also seitlich beabstandet.In addition, here the second insulating material 40 not only overlaps the first insulating material 80, but also the power semiconductor component 5 viewed in projection and is therefore, again in projection, i.e. viewed from the normal direction N, not laterally, i.e. laterally spaced, from it as in the previously illustrated exemplary embodiments .

8 zeigt zur weiteren Erläuterung eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Leistungshalbleiterbauelement 5. Dieses Leistungshalbleiterbauelement 5 weist einen seitlich umlaufenden Rand 50 und auf seiner ersten, dem Substrat 2 abgewandten Hauptseite 500 einen Randbereich 52 und einen Kontaktbereich 54 auf. Der Kontaktbereich weist hier zwei Kontaktflächen 540,542 auf. Eine dieser Kontaktflächen bildet die Lastanschlusskontaktfläche und eine die Steueranschlusskontaktfläche aus. 8th shows a top view of an exemplary power semiconductor component 5 for further explanation. The contact area has two contact surfaces 540,542 here. One of these contact surfaces forms the load connection contact surface and one forms the control connection contact surface.

Im Randbereich 52 und umgeben um den Kontaktbereich 54 des Leistungshalbleiterbauelements 5 ist dessen Randstruktur dargestellt. Der Randbereich 52 und damit auch diese Randstruktur wird bevorzugt zumindest teilweise von dem ersten Isolationsstoff 80, vgl. 9, überlappt. Es kann vorteilhaft sein, dass der erste Isolationsstoff 80 auch einen schmalen Randabschnitt des Kontaktbereichs 54 überlappt.The edge structure of the power semiconductor component 5 is shown in the edge area 52 and surrounded by the contact area 54 . The edge area 52 and thus also this edge structure is preferably at least partially covered by the first insulating material 80, cf. 9 , overlapped. It can be advantageous that the first insulating material 80 also overlaps a narrow edge section of the contact area 54 .

9 zeigt in Draufsicht eine Anordnung analog 6. Dargestellt ist hier ein Leistungshalbleiterbauelement 5 gemäß 8 mit angeordnetem ersten Isolationsstoff 80 und seitlich beabstandet hiervon ein quaderförmig ausgebildeter, starrer Isolationsformkörper 42. Der seitliche Abstand 420 beträgt bevorzugt maximal das 3-fache der Länge der größeren Längsseite 502 des Leistungshalbleiterbauelements 5. Die größere der beiden Längsseiten 422 dieses Isolationsformkörpers 42 weist eine Länge auf, die dem 1,4-fachen der Länge des hier quadratischen Leistungshalbleiterbauelements 5 entspricht. 9 shows a top view of an arrangement analogous 6 . A power semiconductor component 5 according to FIG 8th with arranged first insulating material 80 and a cuboid, rigid molded insulation body 42 spaced laterally from it. The lateral distance 420 is preferably at most three times the length of the larger longitudinal side 502 of the power semiconductor component 5. The larger of the two longitudinal sides 422 of this molded insulation body 42 has a length on, which corresponds to 1.4 times the length of the square power semiconductor component 5 here.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102015116165 A1 [0003]

Claims

Electronic power switching device (1) with a substrate 2 having a normal direction N with a first and a second conductor track 22, 24, a power semiconductor component (5) being arranged on the first conductor track (22) by means of an electrically conductive connection 900, the power semiconductor component 5 has a lateral peripheral edge 50 and, on its first main side 500 facing away from substrate 2, an edge region 52 and a contact region 54, with a connecting device 3, which is electrically conductively connected to a contact surface 540 of contact region 54, and with a heat-conducting device 4, which an electrically insulating, thermally highly conductive connection between the connecting device 3 and the substrate 2 forms.

switching device claim 1 , The heat-conducting device 4 having a thermally conductive contact with the second conductor track 24, and preferably also with the first conductor track 22.

Switching device according to one of the preceding claims, in which, viewed from the normal direction N, the heat-conducting device 4 is arranged at a lateral distance from the power semiconductor component 5 .

Switching device according to one of the preceding claims, wherein the connecting device 3 is designed as a bonding wire 34, as a rigid metal molded body 30 or as an electrically conductive, preferably metallic, film 320, in turn preferably as part of a film stack 32 formed alternately from electrically conductive and at least one electrically insulating foil 320,322,324.

Switching device according to one of the preceding claims, wherein a first insulating material 80 is arranged on the edge 50 and partly also on an adjoining section of the edge region 52 of the power semiconductor component 5 .

Switching device according to one of the preceding claims, in which the heat-conducting device 4 is designed as a rigid insulating molded body 42 with a first and opposite second contact surface or as a second, elastic, preferably gel-like insulating material 40 which is viscous during its arrangement.

switching device claim 6 , wherein the rigid insulation molded body 42 has a thickness which differs from that of the adjacent power semiconductor component 5 by no more than 25%, preferably no more than 10%, or it has a thickness which is three times the thickness of the adjacent power semiconductor component 5 by no more than 25%, preferably no more than 10%.

switching device claim 6 or 7 , wherein the rigid insulating molded body 42 has a thermal conductivity of more than 100 W/m·K, preferably more than 140 W/m·K and is preferably made of silicon or aluminum nitride or silicon carbide or boron nitride or of zinc oxide or diamond, or these substances contains more than 30%, in particular more than 50%.

switching device claim 6 until 8th , wherein the rigid insulating molded body 42 is cuboid and preferably its longest side 422 is no longer than 1.5 times a longest side 502 of the adjacent power semiconductor component 5.

switching device claim 6 , wherein the second insulating material 40 has a thermal conductivity of more than 2.5 W/m·K, preferably more than 5 W/mK, and is preferably formed from a silicone gel with particulate admixtures of aluminum nitride or silicon carbide or boron nitride or zinc oxide or diamond .

switching device claim 5 in connection with 6 or 10, wherein the second insulating material 40 is arranged adjacent to or spaced from the first insulating material 80.

Method for producing a power electronic switching device (1) according to one of the preceding claims with the method steps, in the order a-b-c-d-e or a-b-d-c-e: a) providing the substrate (2); b) arranging the power semiconductor component 5 and the heat conducting device 4, designed as a rigid insulation molded body 42; c) forming an integral connection of the power semiconductor component 5 with an associated conductor track 22,24 of the substrate 2 and of the heat-conducting device 4 with an associated conductor track 22,24 of the substrate 2; d) arranging the connecting device 3; e) Forming a non-positive or material connection of the power semiconductor component 5 and the heat conducting device 4 in each case with the connecting device 3.

procedure after claim 12 , the following method step being carried out before method step d): Arranging a first gel-like insulating material 80 on the edge region 52 of the power semiconductor component 5.