WO2006067021A1 - Anordnung eines halbleitermoduls und einer elektrischen verschienung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement of a semiconductor module and an electrical busbar (Stromverschieppe).
  • the semiconductor module is, for example, a semiconductor module in which a plurality of semiconductor components are mounted on a substrate (circuit carrier, carrier body) and electrically connected in a corresponding manner. Bonding wires are used for an internal connection of the contacts of the semiconductor components in the semiconductor module. For electrical insulation, the bonding wires and the semiconductor components are cast in a potting compound.
  • the potting compound is for example silicone.
  • the potted semiconductor module is arranged in a housing. The housing serves to protect the semiconductor module and at the same time acts as a carrier of electrical (load) connections. The electrical connections are electrically connected to the outside with the electrical busbar.
  • the electrical busbar has a supply busbar, via which a supply voltage for one of the contacts of the semiconductor component is provided.
  • WO 03/030247 A2 An alternative to the internal connection of the contacts by means of bonding wires is known from WO 03/030247 A2.
  • a contact surface of an electrical contact of a semiconductor component arranged on a substrate is contacted over a large area and in a planar manner.
  • an insulating film is laminated onto the semiconductor component.
  • the contact surface of the semiconductor device is exposed and subsequently electrically contacted by metal deposition on the contact surface and on regions of the insulating film.
  • the object of the present invention is to provide a simple and compact arrangement of the semiconductor module and the electrical busbar of the semiconductor module.
  • an arrangement of at least one semiconductor module and at least one electrical busbar wherein the semiconductor module has at least one substrate and at least one arranged on the substrate semiconductor device having an electrical contact and at least one further electrical contact, the busbar at least one supply busbar for providing a supply voltage for the contact of the semiconductor device, and for electrically insulating the supply busbar and the further contact of the semiconductor device from each other an electrical insulating film is disposed on the semiconductor device and / or on the supply busbar.
  • the semiconductor module is a
  • the supply busbar is electrically connected only to the electrical contact to be contacted.
  • the semiconductor component or. the semiconductor module with a plurality of semiconductor devices is connected unhoused with the electrical busbar. This results in a simpler and more compact arrangement compared to the prior art.
  • the semiconductor component is preferably arranged on the substrate such that an electrical contact surface of the contact faces away from the substrate. Via a further contact surface of the further contact, the semiconductor component faces the substrate.
  • the semiconductor component is soldered or adhesively bonded to the substrate via the further contact surface.
  • the semiconductor component is arranged on a substrate and the insulation film is applied to the semiconductor component and the substrate in such a way that a surface contour of the semiconductor component and / or a surface contour of the substrate are imaged in a surface contour of the insulation film corresponding to the semiconductor component and / or the semiconductor device Substrate is turned away.
  • the insulation film can be glued on.
  • the insulating film is laminated to the semiconductor device and to the substrate. The lamination preferably takes place without adhesive.
  • the insulation film is not glued on. Incidentally, it is also possible to additionally laminate or insulate an insulating film in addition to the supply busbar of the electrical busbar.
  • Semiconductor device of the semiconductor module is preferably planar, so not via bonding wires.
  • the insulating effect of the insulating film can be fully utilized. A large-area contact is possible. Due to the planar contacting, the semiconductor components are contacted with low inductance. With the planar contacting, a more robust construction compared to contacting with bonding wires is also accessible.
  • a DCB (Direct Copper Bonding) substrate is provided, on which the semiconductor components required for the semiconductor module are applied by means of an electrically conductive connection means and electrically connected in a corresponding manner via electrical conductor tracks.
  • the DCB substrate has a support layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN). On both sides, electrically conductive copper layers are applied, which are designed to form interconnects.
  • the electrically conductive connection means is for example a solder or an electrically conductive adhesive.
  • the semiconductor devices are soldered or glued.
  • the application of a low-temperature connection technology (NTV) is also conceivable.
  • NTV low-temperature connection technology
  • the semiconductor components are not only electrically contacted, they are also mechanically fixed on the substrate. It is also conceivable that only an electrical contact is made with the electrically conductive connection means. There is no mechanical fixation of
  • An insulating film for example a plastic film with polyimide (polyimide film), is laminated onto the semiconductor components applied to the substrate.
  • the lamination takes place for example under vacuum.
  • a vacuum press is used.
  • Lamination under vacuum creates a particularly strong and intimate connection between the semiconductor components and the insulating film or. between the substrate and the insulating film.
  • the lamination is followed by a temperature treatment step. This increases a strength of the connection between the insulating film and the semiconductor components or. the substrate.
  • the laminated insulation film assumes the positioning and / or the mechanical fixation of the semiconductor components on the substrate.
  • the contacts to be electrically contacted are
  • a photolithography method is performed.
  • a laser ablation procedure is used.
  • a window is produced in the insulation film.
  • the respective contact of the respective semiconductor component is exposed through the window.
  • electrically conductive material is deposited on the contact.
  • the electrically conductive material is deposited on the insulating film.
  • the deposition takes place from a vapor phase and / or liquid phase.
  • a film thickness (film thickness) of the insulating film required for this purpose is selected.
  • the necessary film thickness depends on various factors, for example on the insulating material of the insulating film or on the type of semiconductor components. Thus, film thicknesses of a few microns to a few hundred microns are conceivable.
  • a single, thickest possible insulating film can be laminated. However, a corresponding insulation effect can also with several stacked one above the other
  • Partial insulation films are achieved.
  • the insulation film has a multi-layer structure comprising at least two partial insulation films arranged one above the other. This makes it possible to achieve an efficient insulation effect even with a relatively lower total film thickness of the insulation film.
  • the arrangement is a power converter arrangement with an intermediate circuit capacitor and the intermediate circuit capacitor via the supply busbar connected to the semiconductor device of the semiconductor module.
  • the power converter is composed of various components (components).
  • the power converter has several power components.
  • a power component of the power converter for example, a circuit breaker, which consists of several
  • Power semiconductor components is composed.
  • Another power component of the power converter is, for example, a DC bus or DC bus.
  • a component of the DC link is, for example, the DC link capacitor.
  • the DC link capacitor is designed differently.
  • the DC link capacitor is an electrolytic capacitor. Also conceivable is a DC link capacitor in the form of a
  • the multilayer capacitor can be designed as a separate component. It is also conceivable, in particular, for the multilayer capacitor together with the busbar to form a power section of the power converter.
  • the semiconductor module and the electrical busbar can be permanently connected to each other.
  • the electrical busbar and the semiconductor module are glued or soldered together.
  • a contact of the semiconductor component to be contacted electrically or an electrical connection line of the semiconductor module is soldered or glued to the supply current rail.
  • the semiconductor module and the electrical busbar can also be detachably connected to each other. This means that a connection between the semiconductor module and the electrical busbar. between one of the contacts of a semiconductor device and the supply busbar, which can be solved without destruction.
  • the detachable connection is realized for example by a pressure, screw or plug contact.
  • the pressure contact is made for example by means of a spring contact.
  • the substrate of the semiconductor module is thermally conductively connected to a cooling device.
  • the cooling device can be configured such that a cooling fluid is conducted past the substrate.
  • Power semiconductor devices via the substrate to the cooling fluid of the cooling device.
  • the substrate itself is part of the cooling device.
  • the cooling device is a heat sink.
  • the substrate is adhered to the heat sink with the aid of a thermally conductive adhesive.
  • efficient heat dissipation takes place from the power semiconductor components via the substrate and via the adhesive to the heat sink.
  • the heat sink is for example an aluminum or copper body, which is equipped with cooling fins.
  • the semiconductor module may comprise a single substrate having a plurality of semiconductor devices.
  • a plurality of supply busbars for electrically contacting the contacts of the semiconductor components are present.
  • a supply busbar can supply the same contacts of a plurality of semiconductor components with the necessary electrical voltage.
  • the Stromverschienung is designed such that a necessary for the operation of the semiconductor devices of the semiconductor module current flow is ensured. This applies in particular to a power semiconductor module.
  • the semiconductor module has a plurality of substrates each having at least one semiconductor component with a contact and at least one further contact, wherein the contacts of the semiconductor components of the substrates with a
  • Supply busbar of the busbar are contacted and the other contacts of the semiconductor devices and the supply busbar by means of in each case one of the j e election semiconductor component arranged electrical insulating foil are electrically isolated from each other.
  • an electrical busbar thus the electrical contacts of a plurality of semiconductor devices can be electrically contacted, which can be located on a variety of substrates.
  • FIG. 1 shows an arrangement with at least one
  • FIG. 2 shows a section of the arrangement according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a further detail of the arrangement according to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a section of a further arrangement.
  • an arrangement 1 with a plurality of semiconductor modules 2 and an electrical busbar 3.
  • the electrical busbar 3 has a multilayer structure.
  • the busbar 3 consists of a supply busbar 31, a further supply busbar 32 and arranged between the supply busbars 31 and 32
  • Insulation layer 33 Through the insulating layer 33, the two supply busbars 31 and 32 are electrically isolated from each other. They can be charged with different electrical potentials.
  • the semiconductor modules 2 are power semiconductor modules 23 each have a substrate 6, on each of which at least e a semiconductor device 21 is applied.
  • the semiconductor devices 21 are power semiconductor devices 23 in the form of MOSFETs.
  • the substrates 6 of the power semiconductor modules 23 are DCB substrates.
  • Each of the DCB substrates 6 consists of a support layer 61 of alumina and applied on both sides of electrical power layers 62 and 63 made of copper.
  • the conductive layer 62 to which the semiconductor devices 22 are soldered is patterned into respective conductive lines.
  • Each of the power semiconductor components 22 is soldered such that a contact surface 24 of the conductive semiconductor component 22 facing away from the substrate 6 results (FIG. 3).
  • Power semiconductor devices 22 in each case a further contact surface 27 of a further contact, for example, the drain contact of a MOSFET soldered onto the line layer 62.
  • the power semiconductor components 22 are adhesively bonded, connected by means of low-temperature connection technology or merely electrically contacted by means of a conductive paste, ie not mechanically fixed.
  • an insulating film 7 is laminated under vacuum.
  • the insulation film 7 is laminated on the substrate 6 and the power semiconductor components 22 in such a way that a surface contour 25 of the power semiconductor component 22 and a surface contour 64 of the substrate 6 are imaged in a surface contour 72 of the insulation film 7 that faces away from the substrate 6 and the power semiconductor component 22 .
  • the mechanical fixing of the power semiconductor component 22 takes place on the substrate 6 through the laminated insulating film 7.
  • opening a window 71 in the insulating film 7 the contact or contact is made. the contact surface 24 of the
  • the opening of the window 71 is carried out by laser ablation.
  • the planar electrical contacting of the contact surface 24 is produced by a multilayer deposition 26 of electrically conductive material.
  • Power semiconductor module 23 by the use of the insulating film 7 ensures that the contact surfaces 24 of the line semiconductor devices 22 electrically by means of a supply busbar 31 of the electrical
  • Busbar 3 can be contacted.
  • the further contact surfaces 27 of the power semiconductor components 23 are electrically insulated from the supply rail 31 of the electrical busbar 3.
  • the further contact surfaces 27 are connected to another
  • Supply busbar 32 of the electrical busbar 3 electrically contacted.
  • a further insulating film 8 is laminated onto the deposit 26.
  • the further insulation film 8 has a further window 81, by means of which the contacting of the deposition 26 with the supply current rail 31 takes place.
  • Supply busbar 31 of the electrical busbar 3 electrically connected to a contact point 28 of the power semiconductor module.
  • the contact point 28 is from a on the substrate 6 and. provided on a conductor layer 621 of copper applied electrical connection line 29.
  • the conductor layer 621 and the conductor layer 62 over which the further contact 27 of the Power semiconductor device 22 is contacted, are electrically isolated from each other.
  • the connecting line 29 has the metal deposit 26 for making electrical contact with the contact surface 24 of the power semiconductor component 22.
  • Connecting line 29 are soldered together at the contact point 28 ( Figure 2).
  • the supply busbar 31 and the connecting line by means of a releasable spring contact 41 are electrically connected to each other ( Figure 5).
  • Power semiconductor modules 23 applied to a common heat sink 4. According to a first embodiment, the power semiconductor modules 23 are in each case over the other
  • Conduction layer 63 of the DCB substrates 6 soldered is soldered.
  • the power semiconductor modules are fixed on the heat sink with the aid of a thermally conductive conductive adhesive.
  • the arrangement 1 is a power converter arrangement 11 (FIG. 4).
  • Power circuit 12 is realized, an intermediate circuit capacitor 13.
  • the DC link capacitor 13 is a multi-layer capacitor.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Multi-Conductor Connections (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) mit mindestens einem Halbleitermodul (2) und mindestens einer elektrischen Verschienung (3), wobei das Halbleitermodul mindestens ein Substrat (6) und mindestens ein auf dem Substrat angeordnetes Halbleiterbauelement (21, 22) mit einem elektrischen Kontakt (24) und mindestens einem weiteren elektrischen Kontakt (27) aufweist, die Verschienung mindestens eine Versorgungsstromschiene (31) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für den Kontakt des Halbleiterbauelements aufweist, und zur elektrischen Isolierung der Versorgungsstromschiene und des weiteren Kontakts des Halbleiterbauelements voneinander eine elektrische Isolationsfolie (7) auf dem Halbleiterbauelement und/oder auf der Versorgungsstromschiene angeordnet ist. Die Kontakte des Halbleiterbauelements sind planar kontaktiert, wobei zur planaren Kontaktierung die Isolationsfolie verwendet wird. Aufgrund der Isolationsfolie ist ein Verguss des Halbleitermoduls mit Silikon nicht notwendig. Es resultiert ein einfacher und kompakter Aufbau. Anwendung findet die Erfindung insbesondere zur Versorgung von Leistungshalbleiterbauelementen von Leistungshalbleitermodulen. Die Leistungshalbleitermodule werden insbesondere in Stromrichtern eingesetzt.

Description

Beschreibung
Anordnung eines Halbleitermoduls und einer elektrischen Verschienung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Halbleitermoduls und einer elektrischen Verschienung (Stromverschienung) .
Das Halbleitermodul ist beispielsweise ein Halbleitermodul, bei dem mehrere Halbleiterbauelemente auf einem Substrat (Schaltungsträger, Trägerkörper) aufgebracht und in entsprechender Weise elektrisch verschaltet sind. Für eine interne Verbindung der Kontakte der Halbleiterbauelemente im Halbleitermodul werden Bonddrähte verwendet . Zur elektrischen Isolierung sind die Bonddrähte und die Halbleiterbauelemente in eine Vergussmasse eingegossen . Die Vergussmasse ist beispielsweise Silikon . Das vergossene Halbleitermodul ist in einem Gehäuse angeordnet . Das Gehäuse dient dem Schutz des Halbleitermoduls und fungiert gleichzeitig als Träger elektrischer (Last-) Anschlüsse . Die elektrischen Anschlüsse sind nach außen hin mit der elektrischen Verschienung elektrisch leitend verbunden . Die elektrische Verschienung weist eine Versorgungsstromschiene auf, über die eine Versorgungsspannung für einen der Kontakte des Halbleiterbauelements bereitgestellt wird.
Eine Alternative zur internen Verbindung der Kontakte mittels Bonddrähten ist aus der WO 03/030247 A2 bekannt . Dabei wird eine Kontaktfläche eines elektrischen Kontakts eines auf einem Substrat angeordneten Halbleiterbauelements großflächig und planar kontaktiert . Zur Kontaktierung wird eine Isolationsfolie auf das Halbleiterbauelement auflaminiert . Durch Erzeugen von Fenstern in der Isolationsfolie wird die Kontaktfläche des Halbleiterbauelements freigelegt und nachfolgend durch Metallabscheidung auf der Kontaktfläche und auf Bereichen der Isolationsfolie elektrisch kontaktiert . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine einfache und kompakte Anordnung aus Halbleitermodul und elektrischer Verschienung des Halbleitermoduls anzugeben .
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung mindestens eines Halbleitermoduls und mindestens einer elektrischen Verschienung angegeben, wobei das Halbleitermodul mindestens ein Substrat und mindestens ein auf dem Substrat angeordnetes Halbleiterbauelements mit einem elektrischen Kontakt und mindestens einem weiteren elektrischen Kontakt aufweist, die Verschienung mindestens eine Versorgungsstromschiene zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für den Kontakt des Halbleiterbauelements aufweist, und zur elektrischen Isolierung der Versorgungsstromschiene und des weiteren Kontakts des Halbleiterbauelements voneinander eine elektrische Isolationsfolie auf dem Halbleiterbauelement und/oder auf der Versorgungsstromschiene angeordnet ist .
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung für Leistungshalbleitermodule . Daher sind gemäß einer besonderen Ausgestaltung das Halbleitermodul ein
Leistungshalbleitermodul und das Halbleiterbauelement ein aus der Gruppe IGBT, Diode, MOSFET, Tyristor und/oder Bipolartransistor ausgewähltes Leistungshalbleiterbauelement .
Durch die Isolationsfolie kann auf zusätzliche Isolationsmaßnahmen, beispielsweise der Verguss mit Silikon, verzichtet werden . Die Versorgungsstromschiene ist nur mit dem zu kontaktierenden elektrischen Kontakt elektrisch leitend verbunden . Darüber hinaus kann auf das Gehäuse verzichtet werden . Das Halbleiterbauelement bzw . das Halbleitermodul mit mehreren Halbleiterbauelementen wird ungehäust mit der elektrischen Verschienung verbunden . Es resultiert eine im Vergleich zum Stand der Technik einfachere und kompaktere Anordnung . Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise derart auf dem Substrat angeordnet, dass eine elektrische Kontaktfläche des Kontakts dem Substrat abgewandt ist . Über eine weitere Kontaktfläche des weiteren Kontakts ist das Halbleiterbauelement dem Substrat zugewandt . Beispielsweise ist das Halbleiterbauelement über die weitere Kontaktfläche auf das Substrat aufgelötet oder aufgeklebt .
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement auf einem Substrat angeordnet und die Isolationsfolie derart auf dem Halbleiterbauelement und dem Substrat aufgebracht, dass eine Oberflächenkontur des Halbleiterbauelement und/oder eine Oberflächenkontur des Substrats in einer Oberflächenkontur der Isolationsfolie abgebildet sind, die dem Halbleiterbauelement und/oder dem Substrat abgekehrt ist . Die Isolationsfolie kann dabei aufgeklebt sein . Vorzugsweise ist die Isolationsfolie auf das Halbleiterbauelement und auf das Substrat auflaminiert . Das Auflaminieren erfolgt vorzugsweise ohne Klebstoff . Die Isolationsfolie wird nicht aufgeklebt . Im Übrigen ist es auch möglich, eine Isolationsfolie zusätzlich oder alleine auf die Versorgungsstromschiene der elektrischen Verschienung aufzulaminieren oder aufzukleben .
Die elektrische Kontaktierung der Kontakte des
Halbleiterbauelements des Halbleitermoduls erfolgt bevorzugt planar, also nicht über Bonddrähte . Dadurch kann die Isolationswirkung der Isolationsfolie voll ausgenutzt werden . Eine großflächige Kontaktierung ist möglich . Durch die planare Kontaktierung sind die Halbleiterbauelemente niederinduktiv kontaktiert . Mit der planaren Kontaktierung ist auch ein im Vergleich zu einer Kontaktierung mit Bonddrähten robusterer Aufbau zugänglich .
Im Folgenden wird die Erzeugung eines Halbleitermoduls mit elektrischer Isolationsfolie und planarer Kontaktierung der Kontakte der Halbleiterbauelemente des Halbleitermoduls näher beschreiben : Es sollen mehrere Halbleiterbauelemente auf einem Substrat zu einem Halbleitermodul zusammengefasst werden . Zum Herstellen des Halbleitermoduls wird beispielsweise ein DCB (Direct Copper Bonding) -Substrat bereitgestellt, auf dem die für das Halbleitermodul benötigten Halbleiterbauelemente mit Hilfe eines elektrisch leitenden Verbindungsmittels aufgebracht und in entsprechender Weise über elektrische Leiterbahnen elektrisch verschaltet werden . Das DCB-Substrat weist eine Trägerschicht aus Aluminiumoxid (AI2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) auf . Beidseitig sind elektrisch leitende Kupferschichten aufgebracht, die zu Leiterbahnen ausgestaltet sind. Das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Lot oder ein elektrisch leitfähiger Klebstoff . Die Halbleiterbauelemente werden aufgelötet oder aufgeklebt . Die Anwendung einer Niedertemperaturverbindungstechnik (NTV) ist ebenfalls denkbar . Mit den beschriebenen Verfahren werden die Halbleiterbauelemente nicht nur elektrisch kontaktiert, sie werden auch auf dem Substrat mechanisch fixiert . Denkbar ist auch, dass mit dem elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel lediglich ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. Es erfolgt keine mechanische Fixierung der
Halbleiterbauelemente . Dies gelingt beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Paste (Leitpaste) .
Auf die auf das Substrat aufgebrachten Halbleiterbauelemente wird eine Isolationsfolie, beispielsweise eine Kunststofffolie mit Polyimid (Polyimidfolie) , auflaminiert . Das Auflaminieren erfolgt beispielsweise unter Vakuum. Dazu wird beispielsweise eine Vakuumpresse verwendet . Durch das
Auflaminieren unter Vakuum entsteht eine besonders feste und innige Verbindung zwischen den Halbleiterbauelementen und der Isolationsfolie bzw . zwischen dem Substrat und der Isolationsfolie . Gegebenfalls folgt dem Auflaminieren ein Temperaturbehandlungsschritt . Dies erhöht eine Stärke der Verbindung zwischen der Isolationsfolie und den Halbleiterbauelementen bzw . dem Substrat . Insbesondere bei Verwendung einer Leitpaste übernimmt die auflaminierte Isolationsfolie die Positionierung und/oder die mechanische Fixierung der Halbleiterbauelemente auf dem Substrat .
Nach dem Auflaminieren der Isolationsfolie werden die elektrisch zu kontaktierenden Kontakte der
Halbleiterbauelemente freigelegt . Dazu wird beispielsweise ein Photolithographieverfahren durchgeführt . Alternativ dazu wird ein Laserablationsverfahren eingesetzt . Bei beiden angegebenen Verfahren wird durch Materialabtrag ein Fenster in der Isolationsfolie erzeugt . Der j eweilige Kontakt des j eweiligen Halbleiterbauelements wird durch das Fenster freigelegt . Nachfolgend wird elektrisch leitendes Material auf dem Kontakt abgeschieden . Zur Bildung elektrischer Leiterbahnen auf der Isolationsfolie wird das elektrisch leitende Material auch auf der Isolationsfolie abgeschieden . Das Abscheiden erfolgt aus einer Dampfphase und/oder flüssigen Phase . Zum Abscheiden aus der Dampfphase wird beispielsweise ein physikalisches (Physical Vapour Deposition, PVD) oder ein chemischen (Chemical Vapour
Deposition, CVD) Dampfabscheideverfahren eingesetzt . Ein Abscheiden aus der flüssigen Phase erfolgt elektrolytisch . Es wird ein elektrolytisches Abscheiden durchgeführt . Einzelne Verfahrensschritte können dabei mehrmals durchgeführt werden, so dass benötigte Schichtdicken erzeugt werden . Ebenso können verschiedene Teilmetallisierungsschichten erzeugt werden, die unterschiedliche Funktionen übernehmen . Es resultiert ein Mehrschichtaufbau auf mit übereinander angeordneten Teilmetallisierungsschichten .
Um eine effiziente elektrische Isolierung mit Hilfe der Isolationsfolie zu erzielen, wird eine dafür notwendige Folienstärke (Foliendicke) der Isolationsfolie gewählt . Die notwendige Folienstärke hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise vom Isolationsmaterial der Isolationsfolie oder von der Art der Halbleiterbauelemente . So sind Folienstärken von wenigen μm bis einigen hundert μm denkbar . Um eine notwendige Isolationswirkung der Isolationsfolie zu erzielen, kann eine einzige, möglichst dicke Isolationsfolie auflaminiert werden . Eine entsprechende Isolationswirkung kann aber auch mit mehreren, übereinander gestapelten
Teilisolationsfolien erzielt werden . Die Isolationsfolie weist einen Mehrschichtaufbau aus mindestens zwei übereinander angeordneten Teilisolationsfolien auf . Dadurch ist es möglich, eine effiziente Isolationswirkung auch bei einer relativ niedrigeren Gesamtfolienstärke der Isolationsfolie zu erzielen .
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Anordnung eine Stromrichteranordnung mit einem Zwischenkreiskondensator und der Zwischenkreiskondensator über die Versorgungsstromschiene mit dem Halbleiterbauelement des Halbleitermoduls verbunden . Der Stromrichter setzt sich aus verschiedenen Komponenten (Bauelementen) zusammen . So weist der Stromrichter beispielsweise mehrere Leistungskomponenten auf . Eine Leistungskomponente des Stromrichters ist beispielsweise ein Leistungsschalter, der aus mehreren
Leistungshalbleiterbauelementen zusammengesetzt ist . Eine weitere Leistungskomponente des Stromrichters ist beispielsweise ein Zwischenkreis bzw . ein Bestandteil des Zwischenkreises . Der Bestandteil des Zwischenkreises ist beispielsweise der Zwischenkreiskondensator . Je nach Stromrichtertopologie ist der Zwischenkreiskondensator unterschiedlich ausgestaltet . Beispielsweise ist der Zwischenkreiskondensator ein Elektrolytkondensator . Denkbar ist auch ein Zwischenkreiskondensator in Form eines
Mehrschichtkondensators . Der Mehrschichtkondensator kann als separates Bauelement ausgeführt sein . Denkbar ist insbesondere auch, dass der Mehrschichtkondensator zusammen mit der Stromschiene ein Leistungsteil des Stromrichters bildet . Das Halbleitermodul und die elektrische Verschienung können bleibend miteinander verbunden sein . Beispielsweise sind die die elektrische Verschienung und das Halbleitermodul miteinander verklebt oder verlötet . Beispielsweise wird ein elektrisch zu kontaktierender Kontakt des Halbleiterbauelements oder eine elektrische Verbindungsleitung des Halbleitermoduls mit der Versorgungsstromschiene verlötet oder verklebt . Das Halbleitermodul und die elektrische Verschienung können auch lösbar miteinander verbunden sein . Dies bedeutet, dass eine Verbindung zwischen dem Halbleitermodul und der elektrischen Verschienung bzw . zwischen einem der Kontakte eines Halbleiterbauelements und der Versorgungsstromschiene besteht, die zerstörungsfrei gelöst werden kann . Die lösbare Verbindung ist beispielsweise durch einen Druck-, Schrauboder Steckkontakt realisiert . Der Druckkontakt wird beispielsweise mit Hilfe eines Federkontakts hergestellt .
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Substrat des Halbleitermoduls mit einer Kühlvorrichtung thermisch leitend verbunden . Die Kühlvorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass ein Kühlfluid am Substrat vorbeigeleitet wird. Wenn das Substrat aus einem thermisch leitfähigen Material besteht, beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, erfolgt eine effiziente Wärmeableitung von den
Leistungshalbleiterbauelementen über das Substrat zum Kühlfluid der Kühlvorrichtung . Das Substrat selbst ist dabei Bestandteil der Kühlvorrichtung .
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung ein Kühlkörper . Beispielsweise ist das Substrat mit Hilfe eines thermisch leitfähigen Klebstoffs auf dem Kühlkörper aufgeklebt . Dadurch erfolgt eine effiziente Wärmeableitung von den Leistungshalbleiterbauelementen über das Substrat und über den Klebstoff hin zum Kühlkörper . Der Kühlkörper ist beispielsweise ein Aluminium- oder Kupferkörper, der mit Kühlrippen ausgestattet ist . Das Halbleitermodul kann ein einziges Substrat mit mehreren Halbleiterbauelementen aufweisen . Vorzugsweise sind mehrere Versorgungsstromschienen zur elektrischen Kontaktierung der Kontakte der Halbleiterbauelemente vorhanden . Dabei kann eine Versorgungsstromschiene gleiche Kontakte mehrerer Halbleiterbauelemente mit der notwendigen elektrischen Spannung versorgen . Die Stromverschienung ist dabei derart ausgelegt, dass ein für den Betrieb der Halbleiterbauelemente des Halbleitermoduls notwendiger Stromfluss gewährleistet ist . Dies gilt insbesondere für ein Leistungshalbleitermodul .
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Halbleitermodul mehrere Substrate mit j eweils mindestens einem Halbleiterbauelement mit einem Kontakt und mindestens einem weiteren Kontakt auf, wobei die Kontakte der Halbleiterbauelemente der Substrate mit einer
Versorgungsstromschiene der Verschienung kontaktiert sind und die weiteren Kontakte der Halbleiterbauelemente und die Versorgungsstromschiene mit Hilfe j eweils einer auf dem j eweiligen Halbleiterbauelement angeordneten elektrischen Isolationsfolie elektrisch voneinander isoliert sind. Mit einer elektrischen Verschienung können somit die elektrischen Kontakte einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen elektrisch kontaktiert werden, die sich auf einer Vielzahl von Substraten befinden können .
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende wesentlichen Vorteile :
- Mit der Erfindung ist eine einfache und kompakte Anordnung aus Halbleitermodul und elektrischer Verschienung zugänglich .
- Durch die Verwendung von Isolationsfolien kann auf eine zusätzliche Isolierung durch Silikonverguss verzichtet werden . Ein Gehäuse zur Integration von elektrischen Anschlüssen, die mit einer externen elektrischen Verschienung verbunden werden müssen, ist nicht notwendig .
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben . Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar .
Figur 1 zeigt eine Anordnung mit mindestens eines
Halbleitermoduls und einer elektrischen Verschienung in einem seitlichen Querschnitt .
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt einen weiteren Ausschnitt der Anordnung gemäß Figur 1.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Anordnung .
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel liegt eine Anordnung 1 mit mehreren Halbleitermodulen 2 und einer elektrischen Verschienung 3 vor .
Die elektrische Verschienung 3 weist einen Mehrschichtaufbau auf . Die Verschienung 3 besteht aus einer Versorgungsstromschiene 31 , einer weiteren Versorgungsstromschiene 32 und einer zwischen den Versorgungsstromschienen 31 und 32 angeordneten
Isolationsschicht 33. Durch die Isolationsschicht 33 sind die beiden Versorgungsstromschienen 31 und 32 elektrisch voneinander isoliert . Sie können mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden .
Die Halbleitermodule 2 sind Leistungshalbleitermodule 23 weisen j eweils ein Substrat 6 auf, auf dem j eweils mindestens ein Halbleiterbauelement 21 aufgebracht ist . Die Halbleiterbauelemente 21 sind Leistungshalbleiterbauelemente 23 in Form von MOSFETs .
Die Substrate 6 der Leistungshalbleitermodule 23 sind DCB- Substrate . Jedes der DCB-Substrate 6 besteht aus einer Trägerschicht 61 aus Aluminiumoxid und beidseitig aufgebrachte elektrische Leistungsschichten 62 und 63 aus Kupfer . Die Leitungsschicht 62 , auf die die Halbleiterbauelemente 22 aufgelötet sind, ist zu entsprechenden Leitungsbahnen strukturiert .
Jedes der Leistungshalbleiterbauelemente 22 ist derart aufgelötet, dass eine vom Substrat 6 wegweisende Kontaktfläche 24 des Leitungshalbleiterbauelements 22 resultiert (Figur 3) . Dazu sind die
Leistungshalbleiterbauelemente 22 über j eweils eine weitere Kontaktfläche 27 eines weiteren Kontakts , beispielsweise des Drain-Kontakts eines MOSFETs , auf die Leitungsschicht 62 aufgelötet . In alternativen Ausführungsformen sind die Leistungshalbleiterbauelemente 22 aufgeklebt, mittels Niedertemperaturverbindungstechnik verbunden oder mittels einer Leitpaste lediglich elektrisch kontaktiert, also nicht mechanisch fixiert .
Zur großflächigen, planaren elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 24 des Leistungshalbleiterbauelements 22 , beispielsweise des Source-Kontakts eines MOSFETs , ist eine Isolationsfolie 7 unter Vakuum auflaminiert . Die Isolationsfolie 7 ist dabei derart auf dem Substrat 6 und dem Leistungshalbleiterbauelementen 22 auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur 25 des Leistungshalbleiterbauelements 22 und eine Oberflächenkontur 64 des Substrats 6 in einer Oberflächenkontur 72 der Isolationsfolie 7 abgebildet ist, die dem Substrat 6 und dem Leistungshalbleiterbauelement 22 abgekehrt ist . Bei Verwendung einer Leitpaste erfolgt die mechanische Fixierung des Leistungshalbleiterbauelements 22 auf dem Substrat 6 durch die auflaminierte Isolationsfolie 7. Durch Öffnen eines Fensters 71 in der Isolationsfolie 7 ist der Kontakt bzw . die Kontaktfläche 24 des
Leistungshalbleiterbauelements 22 freigelegt . Das Öffnen des Fensters 71 erfolgt durch Laserablation . Die planare elektrische Kontaktierung der Kontaktfläche 24 wird durch eine mehrschichtige Abscheidung 26 von elektrisch leitendem Material erzeugt .
Durch die planare Kontaktierung der
Leistungshalbleiterbauelemente 22 des
Leistungshalbleitermoduls 23 durch die Verwendung der Isolationsfolie 7 ist gewährleistet, dass die Kontaktflächen 24 der Leitungshalbleiterbauelemente 22 elektrisch mit Hilfe einer Versorgungsstromschiene 31 der elektrischen
Verschienung 3 kontaktiert werden . Gleichzeitig sind die weiteren Kontaktflächen 27 der Leistungshalbleiterbauelemente 23 von der Versorgungsschiene 31 der elektrischen Verschienung 3 elektrisch isoliert . Die weiteren Kontaktflächen 27 sind mit einer weiteren
Versorgungsstromschiene 32 der elektrischen Verschienung 3 elektrisch kontaktiert . Zur kontrollierten elektrischen Kontaktierung ist auf die Abscheidung 26 eine weitere Isolationsfolie 8 auflaminiert . Die weitere Isolationsfolie 8 verfügt über ein weiteres Fenster 81 , durch die die Kontaktierung der Abscheidung 26 mit der Versorgungsstromschiene 31 erfolgt .
Zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 24 eines Leistungshalbleiterbauelements 22 ist die
Versorgungsstromschiene 31 der elektrischen Verschienung 3 mit einer Kontaktstelle 28 des Leistungshalbleitermoduls elektrisch leitend verbunden . Die Kontaktstelle 28 wird von einer auf das Substrat 6 bzw . auf einer Leiterschicht 621 aus Kupfer aufgebrachten elektrischen Verbindungsleitung 29 bereitgestellt . Die Leiterschicht 621 und die Leiterschicht 62 , über die der weitere Kontakt 27 des Leistungshalbleiterbauelements 22 kontaktiert ist, sind elektrisch voneinander isoliert . Die Verbindungsleitung 29 weist die Metallabscheidung 26 zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 24 des Leistungshalbleiterbauelements 22 auf . Die Versorgungsstromschiene 31 und die
Verbindungsleitung 29 sind an der Kontaktstelle 28 miteinander verlötet (Figur 2 ) . Alternativ dazu sind die Versorgungsstromschiene 31 und die Verbindungsleitung mit Hilfe eines lösbaren Federkontakts 41 elektrisch leitend miteinander verbunden (Figur 5) .
Zur Kühlung der Anordnung 1 sind die
Leistungshalbleitermodule 23 auf einem gemeinsamen Kühlkörper 4 aufgebracht . Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Leistungshalbleitermodule 23 j eweils über die weitere
Leitungsschicht 63 der DCB-Substrate 6 aufgelötet . Alternativ dazu sind die Leistungshalbleitermodule mit Hilfe eines thermisch leitfähigen Leitklebers auf dem Kühlkörper fixiert .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 1 eine Stromrichteranordnung 11 (Figur 4 ) . Die
Stromrichteranordnung weist neben den
Leistungshalbleitermodulen 23, mit deren Hilfe eine
Leistungsschaltung 12 realisiert ist, einen Zwischenkreiskondensator 13 auf . Der Zwischenkreiskondensator
13 ist mit der Verschienung 3 verbunden und stellt zusammen mit der Verschienung 3 ein Leistungsteil der
Stromrichteranordnung dar . Der Zwischenkreiskondensator 13 ist ein Mehrschichtkondensator .

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (1 ) mindestens eines Halbleitermoduls (2 , 23) und mindestens einer elektrischen Verschienung (3) , wobei das Halbleitermodul (2 ) mindestens ein Substrat ( 6) und mindestens ein auf dem Substrat ( 6) angeordnetes Halbleiterbauelement (21 , 22 ) mit einem elektrischen Kontakt (24 ) und mindestens einem weiteren elektrischen Kontakt (27 ) aufweist, die Verschienung (3) mindestens eine
Versorgungsstromschiene (31 ) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für den Kontakt (24 ) des Halbleiterbauelements (21 ) aufweist, und - zur elektrischen Isolierung der Versorgungsstromschiene (31 ) und des weiteren Kontakts (27 ) des Halbleiterbauelements (21 , 22 ) voneinander eine elektrische Isolationsfolie (7 ) auf dem Halbleiterbauelement (21 , 22 ) und/oder auf der Versorgungsstromschiene (31 ) angeordnet ist .
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei das Halbleiterbauelement (21 , 22 ) derart auf dem Substrat
( 6) angeordnet ist, dass eine elektrische Kontaktfläche des Kontakts (24 ) dem Substrat ( 6) abgewandt ist .
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Isolationsfolie (7 ) derart auf dem Halbleiterbauelement (22 ) und dem Substrat ( 6) aufgebracht ist, dass eine Oberflächenkontur (25) des Halbleiterbauelements (21 , 22 ) und/oder eine Oberflächenkontur ( 64 ) des Substrats
( 6) in einer Oberflächenkontur (72 ) der Isolationsfolie
(7 ) abgebildet sind, die dem Halbleiterbauelement (21 , 22 ) und/oder dem Substrat ( 6) abgekehrt ist .
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Isolationsfolie (7 ) auf dem Halbleiterbauelement (21 , 22 ) und/oder auf der Versorgungsstromschiene (31 ) auflaminiert ist .
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei das Halbleiterbauelement (21 , 22 ) durch die Isolationsfolie (7 ) auf dem Substrat ( 6) fixiert ist .
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleitermodul (2 ) ein Leistungshalbleitermodul (23) und das Halbleiterbauelement (21 ) ein aus der Gruppe
IGBT, Diode, MOSFET, Tyristor und/oder Bipolartransistor ausgewähltes Leistungshalbleiterbauelement (22 ) sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Anordnung (1 ) eine Stromrichteranordnung (11 ) mit einem
Zwischenkreiskondensator (13) ist und der Zwischenkreiskondensator (13) über die Versorgungsstromschiene (31 ) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (22 ) des Leistungshalbleitermoduls 23 verbunden ist .
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei das Halbleitermodul (2 ) und die Versorgungsstromschiene (31 ) lösbar miteinander verbunden sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Substrat ( 6) des Halbleitermoduls mit einer Kühlvorrichtung (4 ) thermisch leitend verbunden ist .
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Halbleitermodul (2 ) mehrere Substrate ( 6) mit j eweils mindestens einem Halbleiterbauelement (21 , 22 ) mit einem Kontakt (24 ) und mindestens einem weiteren Kontakt (27 ) aufweist, - die Kontakte (24 ) der Halbleiterbauelemente (21 , 22 ) der Substrate ( 6) mit einer Versorgungsstromschiene (31 ) der Verschienung (3) kontaktiert sind und die weiteren Kontakte (27 ) der Halbleiterbauelemente (21 , 22 ) und die Versorgungsstromschiene (31 ) mit Hilfe j eweils einer auf dem j eweiligen Halbleiterbauelement (21 , 22 ) angeordneten elektrischen Isolationsfolie (7 ) elektrisch voneinander isoliert sind.
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