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Die
Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung, die gebildet wird
aus wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement und einem weiteren Verbindungspartner,
der ebenfalls ein Leistungshalbleiterbauelement sein kann. Derartige
Verbindungen sind allgemein aus Leistungshalbleitermodulen bekannt
und dienen dort vornehmlich der schaltungsgerechten Verbindung dieser
Leistungshalbleiterbauelemente.
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Aus
der
DE 40 13 435 A1 ist
grundsätzlich ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer
MESA Randstruktur bekannt bei dem wie auch bei planaren Leistungsbauelementen üblich
auf den Kontaktbereichen eine ein- oder mehrschichtige Metallisierung vorgesehen
ist. Diese Metallisierung dient der externen elektrisch leitfähigen
Verbindung des Leistungshalbleiterbauelements mit den weiteren Leistungshalbleiterbauelementen,
mit Leiterbahnen eines Substrats oder einer verschiedenartig ausgestalteten Verbindungseinrichtung.
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Derartige
Metallisierungen sind meist als Mehrschichtkontakte ausgebildet
um einerseits eine ausreichende Haftung auf dem Halbleiterkörper
des Leistungshalbleiterbauelements zu gewährleisten und
anderseits eine Oberfläche zur Verfügung zu stellen,
die mit bekannten stoffschlüssigen Verbindungstechniken
kompatibel ist. Metallisierungen aus einer Mehrzahl von metallischen
Schichten unterschiedlicher Metalle erfüllen diese Aufgabe.
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Kraftschlüssige
Verbindungen von Leistungshalbleiterbauelementen sind aus sog. druckkontaktierten
Leistungshalbleitermodulen bekannt, wie sie beispielhaft in der
DE 196 51 632 A1 offenbart sind.
Dort werden Leistungshalbleiterbauelement mit weiteren metallischen
Verbindungspartnern elektrisch leitend verbunden indem mittels einer
Druckeinrichtung von außen auf die zu verbindenden Komponenten
Druck ausgeübt wird.
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Weiterhin
ist vorzugsweise aus der Mikrosystemtechnik bekannt verschieden
Komponenten mittels sog. „Black Silicon” miteinander
zu verbinden. Hierbei handelt es sich um eine nadelartige Oberflächenstruktur
von Silizium mit einer Nadeldicke von weniger als 1 μm
und einer Länge von mindestens 5 μm und eine bevorzugten
Anordnung von mehr als 100.000 Nadeln pro Quadratmilimeter.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Schaltungsanordnung
mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Verbindungspartner
vorzustellen, wobei deren Verbindung kraftschlüssig ausgebildet
ist und ohne externe Druckeinrichtung ausbildbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch
1, wobei spezielle Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen
genannt sind.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besteht zumindest
aus einem ersten Silizium-Leistungshalbleiterbauelement und einem
Verbindungspartner, der ebenfalls aus einem Silizium-Halbleiterkörper
gebildet ist. Hierbei weist das erste Leistungshalbleiterbauelement
mindestens einen ersten Kontaktbereich auf, auf dem eine erste Schicht
aus Black Silicon angeordnet ist. Die einzelnen nadelartigen Fortsätze
des Siliziumgrundkörpers des Leistungshalbleiterbauelements
werden durch geeignete Herstellungsverfahren, wie beispielhaft die Erzeugung
mittels hochenergetischen Laserstrahlen oder mittels reaktivem Ionenätzen,
direkt aus dem Siliziumgrundkörper heraus ausgebildet.
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Da
der Siliziumgrundkörper eines Leistungshalbleiterbauelements
in der Regel mehrere Dotierungen zur Ausbildung mindestens eines
p-n-Übergangs aufweist sind die jeweiligen Kontaktbereiche an
der Oberfläche des Siliziumgrundkörpers in einem Gebiet
einer zugeordneten Dotierung angeordnet. Es ist vorteilhaft die
Dotierungskonzentration dieser Dotierung vor der Ausbildung der
Schicht aus Black Silicon nicht oder um nicht mehr als zwei Größenordnungen
zu verändern.
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Der
Verbindungspartner kann nur einen zweiten oder auch eine Mehrzahl
von zweiten Kontaktbereich aufweisen, wobei auf mindestens einem dieser
zweiten Kontaktbereiche ebenfalls eine Schicht aus Black Silicon
angeordnet ist. Auch hier ist es vorteilhaft um eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen, dass der Siliziumhalbleiterkörper
n- oder p-dotiert ist. Folglich sollte auch die zweite Schicht aus
Black Silicon eine gleiche Dotierung mit annähernd gleicher
Dotierungskonzentration aufweisen wie der Siliziumhalbleiterkörper
im zugeordneten zweiten Kontaktbereich.
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Erfindungsgemäß sind
die erste und zweite Schicht aus Black Silicon des ersten Leistungshalbleiterbauelements
und seines Verbindungspartners miteinander verzahnt, indem die nadelartigen
Fortsätze ineinander greifen. Somit wird eine kraftschlüssige
elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Übergangswiderstand
von weniger als 50 Ohm ausgebildet.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ergibt
sich, wenn der Verbindungspartner ein zweites Leistungshalbleiterbauelement
ist. Dies ist speziell dann vorteilhaft, wenn das erste Leistungshalbleiterbauelement
ein Transistor und das zweite Leistungshalbleiterbauelement eine
Diode ist und der Emitter des Transistors mit der Anode der Diode
mittels der jeweiligen Schichten aus Black Silicon kraftschlüssig
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hierdurch ergibt
sich somit eine gestapelte Antiparallelschaltung der beiden Leistungshalbleiterbauelemente
die häufiger Bestandteil der Schaltung eines Leistungshalbleitermoduls
ist.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn der Verbindungspartner einen weiteren
Kontaktbereich aufweist, der eine ein- oder mehrschichtige Metallisierung
aufweist. Hierbei sollten die beiden Kontaktbereiche des Verbindungspartners
die gleiche n- oder p-Dotierung aufweisen. Ebenso sollte der erste
Kontaktbereich des Leistungshalbleiterbauelements mit dem der zweite
Kontaktbereich des Verbindungspartners verbunden ist die gleiche
n- oder p-Dotierung aufweisen.
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Weiterhin
bevorzug ist es, wenn die Metallisierung des weiteren Kontaktbereichs
eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung zu
einer Verbindungseinrichtung aufweist. Hierbei kann diese stoffschlüssige
Verbindung als eine Drahtbond-, eine Lot- oder eine Drucksinterverbindung
ausgebildet sein. Mit einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung
als eine flexible Isolierstoffschicht mit darauf ausgebildeten voneinander
elektrisch isolierten Leiterbahnen ergibt sich so eine sehr kompakte
Schaltungsanordnung.
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Ein
besonderer Vorteil der genannten erfindungsgemäßen
Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung ist es, dass das Leistungshalbleiterbauelement
und sein Verbindungspartner eine reversible kraftschlüssige
Verbindung ausbilden. Hierdurch ergeben sich für mittels
dieser Schaltungsanordnung ausgebildete Leistungshalbleitermodule
in einem gewissen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Rahmen
verschiedenartige Reparaturmöglichkeiten.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den 1 bis 3 näher
erläutert.
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1 zeigt
eine grundlegende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
einem Transistor und einer antiparallel geschalteten Diode
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in einer komplexeren Ausgestaltung.
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1 zeigt
eine grundlegende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung. Dargestellt ist ein erstes Leistungshalbleiterbauelement
(10), hier in Ausgestaltung eines Leistungstransistors
mit einer Emitter- (12) einer Kollektor- (16) und
einer Gateanschlussfläche (14). Diese Anschlussflächen
(12, 14, 16) bilden die ersten Kontaktbereiche
des Leistungstransistors (10) aus. Derartige Kontaktbereiche
sind gemäß dem Stand der Technik als ein- oder
mehrschichtige Metallkontakte ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist
eine ersten Kontaktbereich des Leistungstranistors, hier die Emitteranschlussfläche,
nicht mit einem Metallkontakt ausgebildet, sondern mit eine Oberflächenstruktur,
einer Schicht, aus Black Silicon (40), die vorzugsweise
direkt aus dem Halbleiterkörper Leistungstransistors (10)
gebildet ist und somit auch die gleiche Dotierung und Dotierungskonzentration
aufweist.
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Weiterhin
dargestellt ist ein Verbindungspartner (30) der hier mit
dem Leistungstransistor (10), genauer mit dessen Emitteranschlussfläche
(12), verbunden werden soll. Dieser Verbindungspartner
(30) besteht in der allgemeinsten Form aus einem dotierten
Halbleiterkörper, wobei diese Dotierung vorzugsweise identisch
ist mit derjenigen der zu verbindenden ersten Kontaktfläche
(12) des Leistungstransistors (10). Dieser Verbindungspartner
(30) weist einen zweiten Kontaktbereich (32) auf,
auf dem ebenfalls eine Schicht aus Black Silicon (42) angeordnet
ist, die vorzugsweise ebenfalls aus dem Halbleiterkörper heraus
gebildet wurde.
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Zur
reversiblen Verbindung des Leistungstransistors (10) und
des Verbindungspartners (30) sind diese derart zueinander
angeordnet, dass die erste und zweite Schicht aus Black Silicon
(40, 42) miteinander verzahnt sind. Hieraus ergibt
sich eine kraftschlüssige, elektrisch leitfähige
Verbindung mit einem bevorzugten Übergangswiderstand von
weniger als 0,5 Ohm. Besonders durch die gleichartige Dotierung
der des jeweiligen ersten und zweiten Kontaktbereichs (12, 32)
ergibt sich diese stabile und ausreichend leitfähige Verbindung.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
einem Leistungstransistor (10), wobei der Verbindungspartner
(30) ein zweites Leistungshalbleiterbauelement ist. Dieses
zweite Leistungshalbleiterbauelement ist in diesem Fall eine Leistungsdiode.
Eine typische Anwendung derartiger Leistungsdioden (30)
ist die einer antiparallel zu einem Leistungstransistor geschalteten
Freilaufdiode. Eine ebensolche ist hier dargestellt, wobei die Anode (32)
der Leistungsdiode (30) mit dem Emitter (12) des Leistungstransistors
(10) verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist
diese Verbindung ausgebildet als eine kraftschlüssige reversible
Verbindung der jeweiligen Kontaktbereiche (12, 32)
der beiden Leistungshalbleiterbauelement, wobei jeder Kontaktbereich
(12, 32) eine Schicht aus Black Silicon (40, 42)
aufweist. Zur Verbindung sind diese beiden Schichten (40, 42)
miteinander verzahnt, wodurch sich eine gestapelte Antiparallelschaltung
der Leistungshalbleiterbauelemente (10, 30) ergibt.
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Die
dargestellte Schaltungsanordnung in Form der elektrisch leitenden
Verbindung des Leistungstransistors (10) und der Leistungsdiode
(30) ist selbstverständlich erweiterbar auf verschiedene
Ausgestaltungen von Verbindungen gleicher oder unterschiedlicher
Leistungshalbleiterbauelemente miteinander.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in einer komplexeren Ausgestaltung. Dargestellt ist wiederum ein
Leistungstransistor (10) als erstes Leistungshalbleiterbauelement. Hierbei
sind allerdings alle ersten Kontaktbereiche, die Emitter- (12),
die Kollektor- (16) und die Gateanschlussfläche
(14), mit einer Schicht aus Black Silicon (40, 44, 48)
ausgebildet. Mit den Schichten aus black Silicon (40, 44)
der Kontaktbereichen der Emitter- (12) und der Gateanschlussfläche
(14) ist jeweils ein Verbindungspartner (30) ebenfalls
mit Schichten aus Black Silicon (42, 46), wie
in 1 noch beabstandet dargestellt, verbunden.
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Die
jeweiligen Verbindungspartner (30) weisen an ihrer dem
zweiten Kontaktbereich (32) gegenüberliegenden
Seite einen weiteren Kontaktbereich (36) zur stoffschlüssige
Verbindung (60) zu einer Verbindungseinrichtung (50)
auf, die ihrerseits als eine flexible Isolierstoffschicht (56)
mit beidseitig darauf angeordneten voneinander elektrisch isolierten
Leiterbahnen (52, 54) ausgebildet ist. Die elektrisch
leitfähige stoffschlüssige Verbindung (60)
ist als eine Drahtbond-, eine Lot- oder bevorzugt als eine Drucksinterverbindung
ausgebildet. Hierzu weist der weitere Kontaktbereich (36)
eine ein- oder mehrschichtige Metallisierung auf. Es ist offensichtlich
bevorzugt erst die stoffschlüssigen Verbindungen (60) innerhalb
der Schaltungsanordung auszubilden und anschließend die
kraftschlüssigen Verbindungen mittels Black Slicon (40, 42, 44, 46, 48)
auszubilden.
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Die
wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordungen
ist, dass zur Ausbildung der kraftschlüssigen Verbindung
kein Temperartureintrag notwendig ist sowie dass eine hohe Posititoniergenauigkeit
erreicht wird, wie sie beispielhaft beim Einsatz von Lotverfahren
nicht gegeben ist. Zudem wird die Reihenfolge der Anordnung der einzelnen
Verbindungspartner der kraftschlüssigen Verbindungen durch
die Verbindungstechnologie nicht vorgegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4013435
A1 [0002]
- - DE 19651632 A1 [0004]