WO2005109505A1 - Leistungshalbleiterschaltung - Google Patents

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    • H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers

Definitions

  • the invention is in the field of power semiconductor technology and relates to a power semiconductor circuit.
  • a power semiconductor module is constructed in classical technique by having one or more individual power semiconductor elements, e.g. IGBTs, (hereinafter also called power semiconductors) are connected via a LotSchicht and a metallization with the top of an aluminum nitride substrate.
  • the underside of the substrate is connected to a cooling device in the form of a fin-type heat sink.
  • the module comprises a plurality of such substrates, which are combined in a common housing.
  • the power semiconductor module is externally connected by screwing to so-called busbars, through which the currents are conducted to or from the module, wherein the busbars can run at right angles through several modules.
  • a substrate may have a contact surface Component be provided.
  • a low-inductance contacting is realized by the contact surface is brought together with a connection surface which is formed on a relatively thin film.
  • the contact surface and the connection surface are brought together by laminating the film in a vacuum press under isostatic pressure.
  • the object of the present invention is to provide a power semiconductor circuit that has been further developed in comparison, which is characterized by good mountability and a particularly space-saving design.
  • a power semiconductor circuit is provided with a power semiconductor module, which is designed as a flat assembly by at least one electronic component disposed on a substrate and contacted with a top contact surface with a pad of a film, with a power supply and / or laxative busbar, on the a cover rail, the power semiconductor module is arranged, and with a cooling device, which is integrated in the busbar.
  • the busbar can be designed as a rail package with. a cover rail, in which at least the arrangement area provided for the module is flat.
  • the module or a plurality of flat modules can be soldered to the outside on a plate-shaped busbar serving as a plus or minus plate.
  • a plate-shaped busbar serving as a plus or minus plate.
  • the plus or minus rail are arranged as the top or bottom plate of a plate buster package. In this embodiment, therefore, the modules are arranged on the upper or lower outside of the busbar.
  • the cover rail, on which the module is mounted can be cooled directly by a cooling device. This can be dissipated particularly effectively in the module resulting heat loss.
  • the cooling device can be realized as air cooling. But it can also be a liquid cooling. In this case, it is advantageous if the coolant is electrically insulating. The cooling device can then be made conductive and thus exert additional electrical functions.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the busbar is a busbar package made up of a plurality of plate-type insulated conductors arranged in parallel planes. This is a particularly compact design realized.
  • the plate-shaped conductors are connected to one another by lamination. This makes it possible to fall back on the corresponding processes which are also used to produce the flat power semiconductor module.
  • the further lamination step or steps can also take place on the substrate.
  • the cooling device can preferably also be plate-shaped and, as it were, sandwiched between the plate-shaped busbars.
  • the power semiconductor module can be electrically connected to other layers or rails of the busbar via laterally extending conductor tracks or conductor foils.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention with respect to the contacting of the power semiconductor module provides that the electronic component is connected to the substrate with a lower-side contact surface and that the substrate consists of a conductive material.
  • control circuit is designed as a flat unit and is arranged above the power semiconductor module.
  • Figure 1 shows a power semiconductor circuit according to the invention in side view
  • Figure 2 shows an enlarged detail of Figure 1 in detail.
  • FIG. 1 shows two power semiconductor modules 1 and 2 which are arranged on the upper side of an uppermost busbar (cover rail) 3. are ordered.
  • the busbar is flat and plate-shaped. It can serve as a plus rail for an inverter.
  • Under the rail 3 is a cooling device 5, which may be formed as an air cooler.
  • the coolant 6 is electrically insulating (eg oil).
  • the cooling device is insulated from a housing and can thus also assume electrical functions. The cooling device directly cools the busbar 3 and thus ensures a very effective dissipation of heat loss during operation.
  • the cooling device 5 is sandwiched between the cover rail 3 and (with the interposition of an insulation 7) of another, lying in a parallel plane plate-shaped busbar 8. Furthermore, a lower-side busbar 10 is provided with the interposition of a further insulating layer 9. This rail 10 forms the minus rail.
  • the busbars 3, 8, 10 together with the cooling device 5 form a very compact arrangement, which is also referred to as a displacement package 11. The elements of the displacement package are joined together by lamination.
  • FIG. 2 shows a detail in region A of FIG. 1.
  • a substrate 20 is shown which consists of a conductor, eg molybdenum.
  • an electronic component such as an IGBT 22 is soldered, on the underside 23, a terminal contact surface (pad) 24 is located.
  • the substrate 20 is in turn soldered onto the busbar 3 (See also Figure 1), so that there is a direct electrical contacting of the terminal contact surface 24 with the rail 3.
  • a plurality of electrical components may be arranged on the substrate 20 in this way, which should be at the electrical potential of the rail 3 according to the circuit specification.
  • a film 25 of the type described above which has been applied by lamination and realizes electrical connections.
  • These compounds may e.g. also include an electrical contact between a provided on the upper side 26 of the device 22 terminal contact surface 27 (pad) and a corresponding pad 28 on the film, as described in detail in the aforementioned patent application with the file number 103 14 172.3.
  • the film 25 extends beyond the module 2 addition to the edge 29 of the busbar package 11 and thus possibly reaches also connecting surfaces of the other busbars. The processing and lamination of the film can take place together with the lamination of the busbar package 11.
  • a control circuit is arranged, which is realized as a flat unit 30 on a circuit board.
  • This circuit can be connected to the elements of the power semiconductor module and / or the busbars via wire bonds, welds, press contacts or soldering, not shown.
  • a very compact power semiconductor circuit eg an inverter
  • a relatively small housing not shown.
  • the power semiconductor circuit according to the invention the space saving possibilities resulting from the flat structure of a layered power semiconductor module are optimally utilized.
  • this power semiconductor circuit can do without screwing power semiconductor module and busbars.

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Abstract

Die Leistungshalbleiterschaltung umfasst ein Leistungshalbleitermodul (2), das als flache Baugruppe ausgebildet ist. Um die mit dieser Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls eröffneten Möglichkeiten einer besonders kompakten und raumsparenden Realisierung einer Leistungshalbleiterschaltung zu nutzen, ist das Leistungshalbleitermodul (2) direkt auf einer Deckschiene (3) einer stromzuführenden und/oder abführenden Verschienung (11) angeordnet und eine Kühleinrichtung (5) in die Verschienung (11) integriert.

Description

Leistungshalbleiterschaltung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leistungshalbleitertechnik und betrifft eine Leistungshalbleiterschaltung.
Bei einer aus der EP 0 901 166 AI bekannten üblichen Leistungshalbleiterschaltung ist ein Leistungshalbleitermodul in klassischer Technik aufgebaut, indem ein oder mehrere einzelne Leistungshalbleiterelemente, z.B. IGBTs, (nachfolgend auch Leistungshalbleiter genannt) über eine LotSchicht und eine Metallisierung mit der Oberseite eines Aluminiumnitrid- Substrats verbunden sind. Die Unterseite des Substrats ist mit einer Kühleinrichtung in Form eines Rippen-Kühlkörpers verbunden. Das Modul umfasst mehrere derartige Substrate, die in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind.
Das Leistungshalbleitermodul ist extern durch Verschraubung an sogenannte Stromschienen angeschlossen, über die die Ströme zu bzw. von dem Modul geleitet werden, wobei die Stromschienen rechtwinklig auch durch mehrere Module verlaufen können.
Ein neuer Trend der Modulgestaltung geht unter Verwendung von Laminierverfahren, wie sie beispielsweise in dem Aufsatz „A High Performance Polymer Thin Film Power Electronics Packa- ging Technologie" von Ray Fillion et al. in Advancing Microe- lectronics September/October 2003 beschrieben sind, in Rich- tung flacher Modulgeometrien.
So kann beispielsweise zur Herstellung eines derartigen Moduls ein Substrat mit einem eine Kontaktfläche aufweisenden Bauelement bereitgestellt werden. Dabei wird eine induktions- arme Kontaktierung realisiert, indem die Kontaktfläche mit einer Anschlussfläche zusammen gebracht wird, die auf einer relativ dünnen Folie ausgebildet ist. Das Zusammenbringen von Kontaktfläche und Anschlussfläche erfolgt durch Auflaminieren der Folie in einer Vakuumpresse unter isostatischem Druck.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine demgegenüber weiterentwickelte Leistungshalbleiterschaltung anzugeben, die sich durch gute Montierbarkeit und eine besonders raumsparende Bauform auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiterschaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist also eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleitermodul vorgesehen, das als flache Baugruppe ausgebildet ist, indem mindestens ein elektronisches Bauelement auf einem Substrat angeordnet und mit einer oberseitigen Kontaktfläche mit einer Anschlussfläche einer Folie kontaktiert ist, mit einer stromzuführenden und/oder abführenden Verschienung, auf deren einer Deckschiene das Leistungshalbleitermodul angeordnet ist, und mit einer Kühleinrichtung, die in die Verschienung integriert ist.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, das flache Leistungshalbleitermodul unmittelbar in die Verschie- nung zu integrieren. Dabei kann die Verschienung als Schienenpaket ausgebildet sein mit. einer Deckschiene, bei der zumindest der für das Modul vorgesehene Anordnungsbereich eben ausgebildet ist . Das Modul oder mehrere flache Module können auf einer als Plus- oder Minus-Platte dienenden plattenförmigen Stromschiene außenseitig aufgelötet sein. Üblicherweise sind nämlich die Plus- bzw. Minus-Schiene als oberste bzw. unterste Platte eines Platten-Verschienungspakets angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung sind also die Module an der oberen oder unteren Außenseite der Verschienung angeordnet.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung besteht darin, dass die Deckschiene, auf der das Modul aufgebracht ist, direkt von einer Kühleinrichtung gekühlt sein kann. Dadurch kann besonders effektiv im Modul entstehende Verlustwärme abgeführt werden.
Die Kühleinrichtung kann als Luftkühlung realisiert sein. Sie kann aber auch eine Flüssigkeitskühlung sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmittel elektrisch isolierend ist. Die Kühleinrichtung kann dann leitend ausgebildet sein und damit zusätzliche elektrische Funktionen ausüben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verschienung ein Verschienungspaket aus mehreren in parallelen Ebenen isoliert angeordneten plattenför i- gen Leitern ist. Damit ist eine besonders kompakte Bauform realisiert. Herstellungstechnisch bevorzugt sind die plattenförmigen Leiter durch Laminieren miteinander verbunden. Damit kann auf die entsprechenden Prozesse zurückgegriffen werden, die auch zur Herstellung des flachen Leistungshalbleitermo- duls angewendet werden. Dabei können gleichzeitig auch der oder die weiteren Laminierungsschritte auf dem Substrat erfolgen. Die Kühleinrichtung kann bevorzugt ebenfalls plattenförmig ausgebildet und quasi sandwichartig zwischen den plattenför- migen Stromschienen angeordnet sein.
Das Leistungshalbleitermodul kann mit weiteren Lagen bzw. Schienen der Verschienung über seitlich verlaufende Leiterbahnen oder Leiterfolien elektrisch verbunden sein.
Eine bezüglich der Kontaktierung des Leistungshalbleitermo- duls besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das elektronische Bauelement mit einer unterseitigen Kontaktfläche mit dem Substrat verbunden ist und dass das Substrat aus einem leitenden Material besteht.
Häufig werden in unmittelbarer Nähe zum Leistungshalbleitermodul weitere Schaltungen, z.B. zur Steuerung, benötigt. Dies lässt sich nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch realisieren, dass die Steuerschaltung als flache Baueinheit ausgestaltet und über dem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung in Seitenansicht und
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 im De- tail.
Figur 1 zeigt zwei Leistungshalbleitermodule 1 und 2, die auf der Oberseite einer obersten Stromschiene (Deckschiene) 3 an- geordnet sind. Die Stromschiene ist flach und plattenförmig ausgebildet. Sie kann als Plus-Schiene eines Wechselrichters dienen. Unter der Schiene 3 befindet sich eine Kühleinrichtung 5, die als Luftkühler ausgebildet sein kann. Hier ist jedoch eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, deren Kühlmittel 6 elektrisch isolierend (z.B. Öl) ist. So ist die Kühleinrichtung z.B. gegenüber einem Gehäuse isoliert und kann damit auch elektrische Funktionen übernehmen. Die Kühleinrichtung kühlt direkt die Stromschiene 3 und sorgt so für eine sehr effektive Abfuhr der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme.
Die Kühleinrichtung 5 ist sandwichartig zwischen der Deckschiene 3 und (unter Zwischenlage einer Isolierung 7) einer weiteren, in einer parallelen Ebene liegenden plattenförmigen Stromschiene 8 angeordnet. Ferner ist unter Zwischenlage einer weiteren Isolierschicht 9 eine unterseitige Stromschiene 10 vorgesehen. Diese Schiene 10 bildet die Minus-Schiene . Die Stromschienen 3, 8, 10 bilden zusammen mit der Kühleinrichtung 5 eine sehr kompakte Anordnung, die auch als Verschie- nungspaket 11 bezeichnet wird. Die Elemente des Verschie- nungspakets sind durch Laminieren miteinander verbunden.
Unter dem Verschienungspaket sind zwei Zwischenkondensatoren 12, 14 eines Wechselrichters angedeutet, die über Verschrau- bungen (z.B. 15, 16 des Kondensators 12) mit der Schiene 3 bzw. 10 verbunden sind.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt im Bereich A der Figur 1. Man erkennt ein Substrat 20, das aus einem Leiter, z.B. Molybdän, besteht. Auf dessen Oberseite 21 ist ein elektronisches Bauelement, z.B. ein IGBT, 22 aufgelötet, an dessen Unterseite 23 sich eine Anschlusskontaktfläche (Pad) 24 befindet. Das Substrat 20 ist seinerseits auf die Stromschiene 3 aufgelötet (vgl. auch Figur 1), so dass sich eine direkte elektrische Kontaktierung der Anschlusskontaktfläche 24 mit der Schiene 3 ergibt. Bevorzugt können in dieser Weise mehrere elektrische Bauelemente auf dem Substrat 20 angeordnet sein, die gemäß der Schaltungsvorgabe auf dem elektrischen Potential der Schiene 3 liegen sollen.
Über dem Bauelement 22 erkennt man eine Folie 25 der eingangs beschriebenen Art, die durch Laminierung aufgebracht worden ist und elektrische Verbindungen realisiert. Diese Verbindungen können z.B. auch einen elektrischen Kontakt zwischen einer auf der Oberseite 26 des Bauelements 22 vorgesehenen Anschlusskontaktfläche 27 (Pad) und einer korrespondierenden Anschlussfläche 28 auf der Folie umfassen, wie im einzelnen in der eingangs erwähnten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 14 172.3 beschrieben. Die Folie 25 erstreckt sich bis über das Modul 2 hinaus zum Rand 29 des Verschienungspakets 11 und erreicht so ggf. auch Anschlussflächen der anderen Stromschienen. Die Bearbeitung und Laminierung der Folie kann gemeinsam mit der Laminierung des Verschienungspakets 11 erfolgen.
Über der kompakten Einheit von Verschienungspaket 11 und Kondensatoren 12, 14 ist wie in Figur 1 angedeutet eine Steuer- Schaltung angeordnet, die als flache Baueinheit 30 auf einer Platine realisiert ist. Diese Schaltung kann über nicht dargestellte Drahtbonds, Schweißverbindungen, Presskontakte oder Lötungen mit den Elementen des Leistungshalbleitermoduls und/oder den Stromschienen verbunden sein.
Somit ist insgesamt eine sehr kompakte Leistungshalbleiterschaltung, z.B. ein Wechselrichter, realisiert, die in ein relativ kleines (nicht dargestelltes) Gehäuse eingesetzt wer- den kann. Mit der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung werden die sich durch den flachen Aufbau eines Schicht- artig aufgebauten Leistungshalbleitermoduls ergebenden Raumsparmöglichkeiten optimal ausgeschöpft. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei schließlich noch, dass diese Leistungshalbleiterschaltung ohne Verschraubung von Leistungshalbleitermodul und Stromschienen auskommen kann.
Bezugszeichenliste :
1 Leistungshalbleitermodul 2 Leistungshalbleitermodul
3 Deckschiene
5 Kühleinrichtung
6 Kühlmittel
7 Isolierung 8 Stromschiene
9 Isolierschicht
10 Stromschiene
11 Verschienungspaket
12 Zwischenkondensator 14 Zwischenkondensator
15 Verschraubung
16 Verschraubung
20 Substrat 21 Oberseite 22 Bauelement
23 Unterseite
24 Anschlusskontaktfläche
25 Folie
26 Oberseite 27 Anschlusskontaktfläche
28 Anschlussfläche
29 Rand
30 Platine
A Ausschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleiterschaltung,
mit einem Leistungshalbleitermodul (2) , das als flache Baugruppe ausgebildet ist, indem mindestens ein elektronisches Bauelement (22) auf einem Substrat (20) angeordnet und über eine oberseitige Kontaktfläche (27) mit einer Anschlussfläche (28) einer Folie (25) kontaktiert ist,
mit einer stromzuführenden und/oder abführenden Verschienung (11) , auf deren einer Deckschiene (3) das Leistungshalbleitermodul (2) angeordnet ist, und
mit einer Kühleinrichtung (5) , die in die Verschienung (11) integriert ist.
2. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1, bei der die Kühleinrichtung (5) die Deckschiene (3) direkt kühlt.
3. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kühleinrichtung (5) eine Luftkühlung ist.
4. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kühleinrichtung (5) eine Flüssigkeitskühlung ist.
5. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 4, bei der das Flüssigkeitskühlmittel (6) elektrisch isolierend ist.
6. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Verschienung (11) ein Verschienungspaket aus mehreren in parallelen Ebenen isoliert angeordneten plattenförmigen Leitern (3, 8, 10) ist.
7. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 6, bei der die plattenförmigen Leiter (3, 8, 10) durch Laminieren miteinander verbunden sind.
8. Leistungshalbleiterschaltung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Kühleinrichtu g ebenfalls plattenförmig ausgebildet und sandwichartig zwischen den plattenförmigen Stromschienen angeordnet ist.
9. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das elektronische Bauelement (22) mit einer unterseitigen Kontaktfläche (24) mit dem Substrat (20) verbunden ist und das Substrat (20) aus einem leitenden Mate- rial besteht.
10. Leistungshalbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die als flache Baueinheit (30) über dem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist.
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