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DE102019129675A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls Download PDF

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DE102019129675A1
DE102019129675A1 DE102019129675.7A DE102019129675A DE102019129675A1 DE 102019129675 A1 DE102019129675 A1 DE 102019129675A1 DE 102019129675 A DE102019129675 A DE 102019129675A DE 102019129675 A1 DE102019129675 A1 DE 102019129675A1
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DE
Germany
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substrate
power semiconductor
semiconductor chip
layer
oxide layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019129675.7A
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English (en)
Inventor
Andre Uhlemann
Andreas Grassmann
Dirk Ahlers
Ivan Nikitin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to US16/704,873 priority Critical patent/US11598904B2/en
Priority to CN201911264867.7A priority patent/CN111312678A/zh
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Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul umfasst ein erstes Substrat, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, eine auf dem ersten Substrat angeordnete erste Aluminiumoxidschicht, eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht angeordnete leitende Schicht, einen ersten Halbleiterchip, wobei der erste Halbleiterchip auf der leitenden Schicht angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist und ein elektrisches Isolationsmaterial, das den ersten Halbleiterchip umschließt, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls.
  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleitermodule, das heißt Halbleitermodule, die dazu ausgelegt sind, mit einem hohen Strom und/oder einer hohen Spannung betrieben zu werden, können sich in den verwendeten Aufbau- und Verbindungstechniken unterscheiden. Eine Möglichkeit ist, Substrat(e), Halbleiterchip(s) und eventuelle weitere Komponenten des Moduls in einem elektrischen Isolationskörper einzubetten. Dabei kann es von entscheidender Bedeutung sein, einzelne Komponenten des Leistungshalbleitermoduls, z.B. Leistungsbereich, Logik-/Steuerbereich, Leistungshalbleiterchip und Kühlkörper, elektrisch voneinander zu isolieren. Dies kann durch die Bereitstellung von elektrischen Isolationsschichten erfolgen. Elektrische Isolationsschichten, welche spezielle Anforderungen an die Durchschlagfestigkeit oder die Wärmeleitfähigkeit erfüllen, können in verbesserten Leistungshalbleitermodulen bzw. in verbesserten Herstellungsverfahren für Leistungshalbleitermodule zum Einsatz kommen.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Einzelne Beispiele betreffen ein Leistungshalbleitermodul umfassend ein erstes Substrat, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, eine auf dem ersten Substrat angeordnete erste Aluminiumoxidschicht, eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht angeordnete leitende Schicht, einen ersten Halbleiterchip, wobei der erste Halbleiterchip auf der leitenden Schicht angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist und ein elektrisches Isolationsmaterial, das den ersten Halbleiterchip umschließt, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  • Einzelne Beispiele betreffen ein Leistungshalbleitermodul umfassend ein Aluminiumsubstrat, welches ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und/oder einen Kühlkörper umfasst, eine Aluminiumoxidschicht, welche auf dem Aluminiumsubstrat angeordnet ist, und eine Leiterplatte, welche über der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  • Einzelne Beispiele betreffen ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend ein Bereitstellen eines ersten Substrats, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, ein Eloxieren des ersten Substrats zum Erzeugen einer ersten Aluminiumoxidschicht, ein Ausbilden einer leitenden Schicht auf der ersten Aluminiumoxidschicht, ein Anordnen eines ersten Halbleiterchips auf der leitenden Schicht und elektrisches Verbinden mit dieser und ein Einkapseln des ersten Halbleiterchips in einem elektrischen Isolationskörper, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  • Einzelne Beispiele betreffen ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend ein Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats, welches eines oder mehrere von einem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und einem Kühlkörper umfasst, ein Eloxieren des Aluminiumsubstrats, um eine Aluminiumoxidschicht zu erzeugen und ein Anordnen einer Leiterplatte über der Aluminiumoxidschicht, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  • Einzelne Beispiele betreffen ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Substrat, wobei das Substrat elektrisch leitfähig ist und eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, einen auf der ersten Seite des Substrats angeordneten Halbleiterchip, wobei der Halbleiterchip mit dem Substrat elektrisch verbunden ist, ein elektrisches Isolationsmaterial, das den ersten Halbleiterchip umschließt, und eine zumindest auf der zweiten Seite des Substrats angeordnete Oxidschicht.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen stellen Beispiele dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Offenbarung zu erläutern. Die Elemente der Zeichnungen sind zu einander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen können einander entsprechende, ähnliche oder identische Teile bezeichnen.
    • 1A und 1B zeigen schematische Querschnittsansichten von Leistungshalbleitermodulen.
    • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Logik-/Steuerbereich und einem Leistungsbereich, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
    • 3A und 3B zeigen schematische Querschnittsansichten von Leistungshalbleitermodulen, die ein Aluminiumsubstrat wie ein Gehäuse oder einen Kühlkörper umfassen.
    • 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls.
    • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Aluminiumgehäuse und/oder einem Aluminiumkühlkörper.
    • 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls, bei welchem ein Substrat durch eine Oxidschicht zumindest teilweise bedeckt ist.
    • 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls, bei welchem eine zusätzliche Schicht zwischen dem Substrat und der Oxidschicht angeordnet ist.
    • 8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls, welches äußere Kontakte aufweist.
    • 9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls, bei welchem die Oxidschicht zwei gegenüberliegende Seiten eines Substrats zumindest teilweise bedeckt.
    • 10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls, das einen Modulträger aufweist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden Leistungshalbleitermodule beschrieben, die einen oder mehrere Halbleiterchips enthalten können. Die Halbleiterchips können von verschiedener Art sein, durch verschiedene Technologien hergestellt werden und zum Beispiel integrierte elektrische Schaltungen und/oder passive Elemente umfassen. Die Halbleiterchips können zum Beispiel als Leistungshalbleiterchips ausgelegt werden, wie etwa Leistungs-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), JFETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistoren), Leistungsbipolartransistoren oder Leistungsdioden. Ferner können die Halbleiterchips Steuerschaltungen oder Mikroprozessoren umfassen. Bei einer Ausführungsform können Halbleiterchips mit einer Vertikalstruktur vorkommen, das heißt, dass die Halbleiterchips so hergestellt werden können, dass elektrische Ströme in einer zu den Hauptoberflächen der Halbleiterchips senkrechten Richtung fließen können. Ein Halbleiterchip mit Vertikalstruktur kann bei einer Ausführungsform Kontaktelemente auf seinen zwei Hauptoberflächen aufweisen, das heißt auf seiner Oberseite und seiner Unterseite. Beispielsweise können sich die Source-Elektrode und Gate-Elektrode eines Leistungs-MOSFET auf einer Hauptoberfläche befinden, während die Drain-Elektrode des Leistungs-MOSFET auf der anderen Hauptoberfläche angeordnet ist. Die Halbleiterchips können aus einem spezifischen Halbleitermaterial, wie etwa Si, SiC, SiGe, GaAs oder GaN hergestellt werden und können ferner anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die nicht Halbleiter sind, wie zum Beispiel Isolatoren, Kunststoffe oder Metalle. Darüber hinaus können die Halbleiterchips gekapselt oder ungekapselt sein.
  • 1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 100, welches ein erstes Substrat 102, eine auf dem ersten Substrat 102 angeordnete erste Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) 104, eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht 104 angeordnete leitende Schicht 106 und einen ersten Halbleiterchip 108 umfasst. Der erste Halbleiterchip 108 ist auf der leitenden Schicht 106 angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden. Ferner weist das Leistungshalbleitermodul 100 ein elektrisches Isolationsmaterial 110 auf, das den ersten Halbleiterchip 108 umschließt. Die erste Aluminiumoxidschicht 104 ist dazu ausgebildet, den ersten Halbleiterchip 108 von dem ersten Substrat 102 elektrisch zu isolieren.
  • Das erste Substrat 102 kann ganz oder zumindest teilweise aus Aluminium bestehen. Das erste Substrat 102 kann Teil eines Leiterrahmens sein oder es kann auch eine Schichtstruktur von abwechselnden elektrisch leitenden und isolierenden Schichten aufweisen, d.h. es kann z.B. ein DAB-Substrat (DAB - direct aluminum bonded) sein. Das erste Substrat 102 kann ein Chippad sein, d.h., es ist dazu ausgebildet, einen Halbleiterchip zu tragen. Das erste Substrat 102 kann mit dem ersten Halbleiterchip 108 elektrisch verbunden sein oder es kann auch von dem ersten Halbleiterchip 108 elektrisch isoliert sein. Das erste Substrat 102 kann an dem elektrischen Isolationsmaterial 110 zumindest teilweise freiliegen und es kann einen oder mehrere Außenanschlüsse aufweisen, die dazu ausgebildet sind, den ersten Halbleiterchip 108 elektrisch zu kontaktieren.
  • Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann direkt auf dem ersten Substrat 102 angeordnet sein. Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann das erste Substrat 102 ganz oder zumindest teilweise bedecken. Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann z.B. (ausschließlich) eine obere Oberfläche 102_1 des ersten Substrats 102 bedecken. Die übrigen Oberflächen des ersten Substrats 102 können frei von der ersten Aluminiumoxidschicht 104 sein. Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann die obere Oberfläche 102_1 ganz oder teilweise bedecken, z.B. kann ein Großteil der oberen Oberfläche 102_1 von der ersten Aluminiumoxidschicht 104 bedeckt sein. Diejenigen Oberflächen des ersten Substrats 102, welche nicht von der ersten Aluminiumoxidschicht 104 bedeckt sind, können von einer zweiten Aluminiumoxidschicht (in 1A nicht gezeigt) bedeckt sein. Die zweite Aluminiumoxidschicht kann eine native Aluminiumoxidschicht sein, d.h., sie kann dadurch gebildet worden sein, dass das erste Substrat 102 der Umgebungsluft ausgesetzt war.
  • Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann eine Dicke aufweisen, die größer ist als eine Dicke einer nativen Aluminiumoxidschicht des ersten Substrats 102. Die Dicke der ersten Aluminiumoxidschicht 104 kann z.B. mehr als 400nm, mehr als 600nm, mehr als 800nm, mehr als 1µm, oder auch mehr als 2µm und z.B. zwischen 1µm und 20µm betragen. Die Dicke einer nativen Aluminiumoxidschicht hingegen kann viel kleiner als 1µm sein und z.B. lediglich ca. 200nm betragen. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 104 kann z.B. größer als eine Dicke der Leiterschicht 106 und z.B. kleiner als eine Dicke des ersten Substrats 102 sein.
  • Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann eine eloxierte Schicht sein, d.h., sie kann durch elektrolytische Oxidation von Aluminium gebildet sein. Ein übliches Eloxal-Verfahren kann zum Bilden der ersten Aluminiumoxidschicht 104 eingesetzt werden. Das Bilden der ersten Aluminiumoxidschicht 104 kann ein Verdicken einer nativen Aluminiumoxidschicht des ersten Substrats 102 beinhalten, z.B. durch ein Eloxal-Verfahren.
  • Die erste Aluminiumoxidschicht 104 kann eine elektrische Isolierschicht sein und kann dazu ausgebildet sein, die leitende Schicht 106 oberhalb der ersten Aluminiumoxidschicht 104 von dem ersten Substrat 102 unterhalb der ersten Aluminiumoxidschicht elektrisch zu isolieren, insbesondere bis zu einer Spannungsdifferenz von ca. 1kV oder sogar 2kV oder mehr.
  • Die leitende Schicht 106 kann direkt auf der ersten Aluminiumoxidschicht 104 angeordnet sein. Die leitende Schicht 106 kann eine Metallisierungsschicht sein und kann eine Einzellage oder ein Schichtstapel von (unterschiedlichen) Metallschichten sein. Die leitende Schicht 106 kann z.B. durch ein Abscheidungsverfahren hergestellt sein. Die leitende Schicht 106 kann z.B. Ag, Al, Au, oder Cu oder eine Metalllegierung aufweisen.
  • Die leitende Schicht 106 kann eine Umverdrahtungsschicht des Leistungshalbleitermoduls 100 sein und sie kann eine Vielzahl von Leiterbahnen aufweisen. Die leitende Schicht 106 kann dazu ausgebildet sein, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen auf der leitenden Schicht 106 angeordneten elektrischen oder elektronischen Komponenten wie dem ersten Halbleiterchip 108 oder auch passiven Komponenten wie Widerständen oder Kondensatoren bereitzustellen. Auf der leitenden Schicht 106 angeordnete elektrische bzw. elektronische Komponenten wie der erste Halbleiterchip 108 können Teil eines Logik-/Steuerbereichs oder Niedervoltschaltkreises des Leistungshalbleitermoduls 100 sein. Der Logik-/Steuerbereich kann z.B. für eine Betriebsspannung von nicht mehr als 48V ausgelegt sein.
  • Der erste Halbleiterchip 108 kann z.B. ein Steuerchip oder ein Treiberchip sein, der dazu ausgelegt ist, einen Leistungshalbleiterchip des Leistungshalbleitermoduls 100 zu steuern. Der erste Halbleiterchip 108 kann durch eine geeignete Verbindungstechnologie mit der leitenden Schicht 106 verbunden sein, z.B. durch eine Sinterverbindung. Insbesondere kann eine derartige Verbindungstechnologie verwendet werden, die ein Verbinden des ersten Halbleiterchips 108 mit der leitenden Schicht 106 bei niedrigen Temperaturen, z.B. bei Temperaturen von weniger als ca. 250°C erlaubt. Eine niedrige Verarbeitungstemperatur kann aus dem Grund wichtig sein, weil die erste Aluminiumoxidschicht 104 temperaturempfindlich sein kann. Eine zu hohe Temperatur kann dazu führen, dass die erste Aluminiumoxidschicht 104 beschädigt wird und somit die leitende Schicht 106 nicht mehr von dem ersten Substrat 102 elektrisch isoliert.
  • Das elektrische Isolationsmaterial 110 kann dazu ausgebildet sein, den ersten Halbleiterchip 108 und eventuelle weitere elektrische oder elektronische Komponenten des Leistungshalbleitermoduls 100 einzukapseln. Das elektrische Isolationsmaterial 110 kann z.B. ein Vergussmaterial oder ein Laminat sein und kann ein Polymer aufweisen. Gemäß einem Beispiel ist das elektrische Isolationsmaterial 110 ein Einkapselungskörper.
  • Das erste Substrat 102 kann zumindest teilweise an dem elektrischen Isolationsmaterial 110 freiliegen. Zum Beispiel kann das elektrische Isolationsmaterial 110 nur an der oberen Oberfläche 102_1 des ersten Substrats 102 angeordnet sein, während eine gegenüberliegende untere Oberfläche 102 2 und eventuell auch Seitenflächen 102_3 nicht von dem elektrischen Isolationsmaterial 110 bedeckt sind.
  • Die Anordnung der leitenden Schicht 106 auf der als elektrische Isolationsschicht dienenden ersten Aluminiumoxidschicht 104 kann den Vorteil aufweisen, dass die leitende Schicht 106 wesentlich feiner strukturiert werden kann, als das mit dem ersten Substrat 102 (z.B. mittels einer DAB-Ätztechnik) möglich wäre. Daher können in der leitenden Schicht 106 die für den Logik-/Steuerbereich des Leistungshalbleitermoduls 100 gewünschten feinen Strukturen (z.B. Leiterbahnen) erzeugt werden, während dies in dem ersten Substrat 102 selbst nicht möglich wäre.
  • 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 100', welches zu dem Leistungshalbleitermodul 100 identisch oder zumindest ähnlich sein kann. Das Leistungshalbleitermodul 100' kann alle bezüglich des Leistungshalbleitermoduls 100 beschriebenen Komponenten und zusätzlich die im Folgenden beschriebenen Komponenten aufweisen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100' weist das erste Substrat 102 auf und es weist zusätzlich ein vom ersten Substrat 102 verschiedenes zweites Substrat 116 auf. Das zweite Substrat 116 kann eine obere und eine untere Metallschicht 116_1, 116_2 sowie eine in diese eingebettete elektrische Isolationsschicht 116_3 umfassen. Das zweite Substrat 116 kann seitlich neben dem ersten Substrat 102 und in einem festgelegten Abstand zu diesem angeordnet sein. Die untere Oberfläche 102_2 des ersten Substrats 102 und die untere Metallschicht 116_2 können komplanar sein und sie können an dem elektrischen Isolationsmaterial 110 freiliegen. Das zweite Substrat 116 kann z.B. ein Substrat vom DAB-Typ sein. Das elektrische Isolationsmaterial 110 kann in einem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Substrat 102, 116 angeordnet sein. Das erste Substrat 102 und das zweite Substrat 116 können dieselbe oder eine unterschiedliche Höhe (bzw. Dicke) haben. Der Fall, dass beide Substrate 102, 116 dieselbe Höhe bzw. Dicke aufweisen, kann den Vorteil bieten, dass bestimmte Prozesse bei der Herstellung des Halbleitermoduls 100' leichter zu implementieren sind. Zum Beispiel könnte ein Leiterrahmen für die Fixierung der Komponenten in einem Moldprozess von deutlich einfacherer Art sein.
  • In dem Leistungshalbleitermodul 100' kann auf dem ersten Substrat 102, wie weiter oben beschrieben, eine Schaltung eines Logik-/Steuerbereichs angeordnet sein. Auf dem zweiten Substrat 116 kann eine Schaltung eines Leistungsbereichs angeordnet sein. An dem Leistungsbereich kann eine Spannung von mehr als 48V anliegen, z.B. eine Spannung von 100V oder mehr, 500V oder mehr, oder auch 1kV oder mehr. Ferner kann der Leistungsbereich für den Betrieb mit hohe Strömen ausgelegt sein, z.B. Strömen von 10A bis 500A.
  • Der Leistungsbereich kann einen oder mehrere Halbleiterchips aufweisen, z.B. einen zweiten Halbleiterchip 112, welcher auf dem zweiten Substrat, z.B. auf der oberen Metallschicht 116_1, angeordnet ist. Der zweite Halbleiterchip 112, z.B. eine auf der unteren Seite angeordnete Elektrode des zweiten Halbleiterchips 112, kann mit der oberen Metallschicht 116 1 elektrisch verbunden sein. Der zweite Halbleiterchip 112 kann ein Leistungshalbleiterchip sein, der z.B. dazu ausgelegt ist, mit den oben beschriebenen hohen Spannungen bzw. hohen Strömen betrieben zu werden. Der zweite Halbleiterchip 112 kann z.B. ein Halbleiterchip vom Typ IGBT oder MOSFET sein.
  • Der Logik-/Steuerbereich und der Leistungsbereich des Leistungshalbleitermoduls 100' können elektrisch miteinander verbunden sein, z.B. mittels eines Verbindungselements 118. Das Verbindungselement 118 kann z.B. einen Draht, ein leitfähiges Band, einen Metallclip, eine Umverdrahtungsebene, Durchkontaktierungen (engl. „vias“) oder ähnliches umfassen. Das Verbindungselement 118 kann z.B. mit einem Ende mit einer Elektrode an der oberen Seite des zweiten Halbleiterchips 112 oder mit der oberen Metallschicht 116_1 und mit dem anderen Ende mit der leitenden Schicht 106 verbunden sein. Das Leistungshalbleitermodul 100' kann auch mehrere Verbindungselemente 118 umfassen, die mit unterschiedlichen Teilen des Logik-/Steuerbereichs bzw. des Leistungsbereichs verbunden sind. Der erste Halbleiterchip 108 kann ein Steuer- oder Treiberchip für den zweiten (Leistungs-)Halbleiterchip 112 sein.
  • Gemäß einem Beispiel kann der Logik-/Steuerbereich weitere elektrische oder elektronische Komponenten 120 umfassen, z.B. weitere Halbleiterchips oder Widerstände oder Kondensatoren etc. Die weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten 120 können auf der leitenden Schicht 106 angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden sein.
  • Das erste Substrat 102 kann einen oder mehrere erste Außenkontakte 122 aufweisen, der oder die dazu ausgelegt sind, den ersten Halbleiterchip 108 elektrisch zu kontaktieren. Der oder die ersten Außenkontakt(e) können z.B. für Spannungen von ca. -15V bis zu 30V ausgelegt sein. Das zweite Substrat 116 kann ebenfalls einen oder mehrere zweite Außenkontakte 124 aufweisen. Der oder die zweiten Außenkontakt(e) 124 können Leistungskontakt(e) des Leistungshalbleitermoduls 100' sein.
  • Gemäß einem Beispiel weist das erste Substrat 102 die zweite (native) Aluminiumoxidschicht 114 auf, wie bezüglich dem Leistungshalbleitermodul 100 beschrieben. Die zweite Aluminiumoxidschicht 114 kann neben der ersten Aluminiumoxidschicht 104 angeordnet sein. Gemäß einem Beispiel kann auch das zweite Substrat 116 eine zweite Aluminiumoxidschicht aufweisen (in 1B nicht gezeigt). Diese kann z.B. neben, aber nicht unter dem zweiten Halbleiterchip 112 bzw. zweiten Außenkontakt 124 angeordnet sein.
  • Der zweite Halbleiterchip 112, der zweite Außenkontakt 124 und eventuelle weitere Komponenten des Leistungsbereichs des Leistungshalbleitermoduls 100' können jeweils durch eine Lotverbindung, eine Schweißverbindung, eine Sinterverbindung oder ähnliches an dem zweiten Substrat 116 angebracht sein. Insbesondere kann eine Verbindungstechnologie verwendet werden, die ein Erhitzen auf mehr als 250°C erfordert. Das erste Substrat 102 hingegen kann mittels solcher Verbindungstechnologien bestückt werden, die ein Erhitzen auf weniger als 250°C erfordern, wie bezüglich 1A beschrieben. Dadurch kann verhindert werden, dass die erste Aluminiumoxidschicht 104 durch zu hohe Temperaturen beschädigt wird.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 200, welches zu dem Leistungshalbleitermodul 100 identisch oder zumindest ähnlich sein kann. Das Leistungshalbleitermodul 200 kann alle bezüglich des Leistungshalbleitermoduls 100 beschriebenen Komponenten und zusätzlich die im Folgenden beschriebenen Komponenten aufweisen. Das Leistungshalbleitermodul 200 kann sich von dem Leistungshalbleitermodul 100' im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass es keine zwei getrennten Substrate 102, 116, sondern ein einzelnes, gemeinsames erstes Substrat 102 aufweist.
  • Das erste Substrat 102 des Leistungshalbleitermoduls 200 kann z.B. vom DAB-Typ sein und eine obere Metallschicht 201, eine untere Metallschicht 202 und eine zwischen den Metallschichten 201, 202 angeordnete elektrische Isolationsschicht 203 aufweisen. Der Logik-/Steuerbereich mit dem ersten Halbleiterchip 108 und der Leistungsbereich mit dem zweiten Halbleiterchip 112 können beide auf dem ersten Substrat 102 angeordnet sein. Der Logik-/Steuerbereich ist auf der leitenden Schicht 106 angeordnet, welche durch die erste Aluminiumoxidschicht 104 von dem Leistungsbereich (z.B. dem zweiten Halbleiterchip 112) isoliert ist.
  • Gemäß einem Beispiel kann das erste Substrat 102 die erste Aluminiumoxidschicht 104 und die zweite Aluminiumoxidschicht 114 aufweisen. Gemäß einem Beispiel kann die erste Aluminiumoxidschicht 104 die obere Metallschicht 201 vollständig bedecken, abgesehen von Lücken, in welchen Komponenten wie der zweite Halbleiterchip 112 oder der zweite Außenkontakt 124 angeordnet und mit der oberen Metallschicht 201 elektrisch verbunden sind.
  • Gemäß einem Beispiel können in dem Leistungshalbleitermodul 200 ausschließlich Verbindungstechnologien zum Anbringen von Komponenten wie dem ersten und zweiten Halbleiterchip 108, 112 mit dem ersten Substrat zum Einsatz kommen, die ein Erhitzen auf weniger als 250°C erfordern. Dies können z.B. Sinterverbindungen sein. Dadurch kann eine Beschädigung der ersten Aluminiumoxidschicht 104 während der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 200 vermieden werden.
  • 3A zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 300, welches ein Aluminiumsubstrat 302, eine Aluminiumoxidschicht 304, welche auf dem Aluminiumsubstrat 302 angeordnet ist und eine Leiterplatte 306, welche über der Aluminiumoxidschicht 304 angeordnet ist, umfasst. Ein Leistungshalbleiterchip 308 ist in die Leiterplatte 306 eingebettet. Die Aluminiumoxidschicht 304 ist dazu ausgebildet, den Leistungshalbleiterchip 308 von dem Aluminiumsubstrat 302 elektrisch zu isolieren.
  • Gemäß einem Beispiel handelt es sich bei dem Aluminiumsubstrat 302 um ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls 300 und/oder einen Kühlkörper der dazu ausgebildet ist, von dem Leistungshalbleiterchip 308 erzeugte Wärme abzuführen.
  • Die Aluminiumoxidschicht 304 kann eine künstlich erzeugte (eloxierte) Schicht sein und sie kann z.B. dieselbe oder eine ähnliche Dicke aufweisen wie die erste Aluminiumoxidschicht 104 der Leistungshalbleitermodule 100 und 100'. Die Aluminiumoxidschicht 304 kann eine obere Seite des Aluminiumsubstrats 302 ganz oder teilweise bedecken. Insbesondere kann die Aluminiumoxidschicht 304 das Aluminiumsubstrat 302 unter der Leiterplatte 306 vollständig bedecken und sie kann über einen seitlichen Rand der Leiterplatte 306 herausragen. Die Aluminiumoxidschicht 304 kann dazu ausgelegt sein, das Aluminiumsubstrat 302 und die Leiterplatte 306 bis zu einer Spannungsdifferenz von 1kV, oder bis zu einer Spannungsdifferenz von 2kV oder sogar mehr elektrisch voneinander zu isolieren.
  • Die Leiterplatte 306 kann ein elektrisches Isolationsmaterial, z.B. ein Polymer oder ein Laminat umfassen. Die Leiterplatte 306 kann z.B. einen Verbundwerkstoff bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe wie etwa FR-4 umfassen. Die Leiterplatte 306 kann einen Einkapselungskörper umfassen. Ferner kann die Leiterplatte 306 eine oder mehrere Metallisierungs- oder Umverdrahtungsschichten aufweisen, welche dazu ausgelegt sein können, elektrische Verbindungen zwischen einzelnen elektrischen oder elektronischen Komponenten des Leistungshalbleitermoduls 300 bereitzustellen.
  • Gemäß einem Beispiel können neben dem Leistungshalbleiterchip 308 auch weitere elektrische oder elektronische Komponenten in die Leiterplatte 306 eingebettet sein, z.B. weitere Halbleiterchips, Kondensatoren, Widerstände etc. Insbesondere kann das Leistungshalbleitermodul 300 einen weiteren Halbleiterchip umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Leistungshalbleiterchip 308 zu steuern.
  • Der Leistungshalbleiterchip 308 kann dazu ausgelegt sein, dieselben hohen Spannungen bzw. hohen Ströme zu verarbeiten, wie bezüglich des Halbleiterchips 112 beschrieben. Der Leistungshalbleiterchip kann durch die Aluminiumoxidschicht 304 von dem Aluminiumsubstrat 302 elektrisch isoliert sein.
  • 3B zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 300', welches zu dem Leistungshalbleitermodul 300 identisch oder zumindest ähnlich sein kann. Das Leistungshalbleitermodul 300' kann alle bezüglich des Leistungshalbleitermoduls 300 beschriebenen Komponenten und zusätzlich die im Folgenden beschriebenen Komponenten aufweisen.
  • Eine Schicht einer Wärmeleitpaste 310 kann zwischen der Aluminiumoxidschicht 304 und der Leiterplatte 306 angeordnet sein. Die Wärmeleitpaste 310 kann elektrisch nichtleitend oder auch elektrisch leitend sein. Da eine elektrische Isolierung zwischen dem Aluminiumsubstrat 302 und der Leiterplatte 306 bereits durch die Aluminiumoxidschicht 304 bereitgestellt wird, ist es nicht erforderlich, durch die Schicht aus Wärmeleitpaste 310 eine solche elektrische Isolierung bereitzustellen. Aus diesem Grund kann in dem Leistungshalbleitermodul 300' eine elektrisch leitende Wärmeleitpaste 310 eingesetzt werden, welche gegenüber einer nichtleitenden Wärmeleitpaste den Vorteil eines geringeren thermischen Widerstands aufweisen kann. Aus demselben Grund kann die Schicht aus Wärmeleitpaste 310 auch besonders dünn sein, ggf. auch diskontinuierlich, und z.B. nur dazu dienen, Unebenheiten zwischen der Leiterplatte 306 und der Aluminiumoxidschicht 304 auszugleichen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 300' kann den Leistungshalbleiterchip 308 sowie einen oder mehrere weitere Halbleiterchips 312 umfassen. Der weitere Halbleiterchip 312 kann ebenfalls ein Leistungshalbleiterchip sein und kann z.B. zum Leistungshalbleiterchip 308 identisch sein. Der weitere Halbleiterchip 312 kann auch ein Steuerchip sein, der dazu ausgelegt ist, den Leistungshalbleiterchip 308 zu steuern.
  • Der Leistungshalbleiterchip 308 und/oder der weitere Halbleiterchip 312 können jeweils auf einem Chipträger 314 angeordnet sein. Der Chipträger 314 kann z.B. ein Metallsubstrat wie etwa ein Kupferplättchen sein. Der Leistungshalbleiterchip 308 bzw. der weitere Halbleiterchip 312 können z.B. durch eine Lotverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung mit dem Chipträger 314 verbunden sein. Der Chipträger 314 kann als Wärmespreizer für die effiziente Abfuhr von durch den Leistungshalbleiterchip 308 bzw. den weiteren Halbleiterchip 312 erzeugter Wärme ausgelegt sein.
  • Die Leiterplatte 306 kann eine obere Metallisierungsschicht 316 aufweisen. Die obere Metallisierungsschicht 316 kann dazu ausgelegt sein, elektrische Verbindungen zu dem Leistungshalbleiterchip 308 und evtl. zu dem weiteren Halbleiterchip 312 bereitzustellen. Die obere Metallisierungsschicht 316 kann z.B. strukturierte Leiterbahnen aufweisen, welche mittels Durchkontaktierungen 318 mit dem Leistungshalbleiterchip 308 bzw. dem weiteren Halbleiterchip 312 oder dem Chipträger 314 verbunden sind.
  • Die Leiterplatte 306 kann eine untere Metallisierungsschicht 320 aufweisen. Die untere Metallisierungsschicht 320 kann dazu ausgelegt sein, von den Halbleiterchips 308, 312 erzeugte Wärme zu dem Aluminiumsubstrat 302 hin abzuführen. Die untere Metallisierungsschicht 320 kann mit den Chipträgern 314 elektrisch verbunden sein, z.B. mittels Durchkontaktierungen (in 3B nicht gezeigt).
  • Gemäß einem Beispiel kann die untere Metallisierungsschicht 320 ausschließlich für diese Wärmeabfuhr vorgesehen sein und keine elektrische Funktionalität in dem Leistungshalbleitermodul 300' haben. Die untere Metallisierungsschicht 320 kann z.B. eine unstrukturierte Schicht sein (d.h., keine Strukturen wie Leiterbahnen aufweisen), die die Unterseite der Leiterplatte 306 vollständig bedecken kann. Gemäß einem anderen Beispiel kann die untere Metallisierungsschicht 320 auch elektrische Verbindungen bereitstellen, d.h. eine elektrische Funktionalität aufweisen.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls. Das Verfahren 400 kann z.B. dazu genutzt werden, um die Leistungshalbleitermodule 100, 100' oder 200 herzustellen.
  • Das Verfahren 400 umfasst bei 401 ein Bereitstellen eines ersten Substrats, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, bei 402 ein Eloxieren des ersten Substrats zum Erzeugen einer ersten Aluminiumoxidschicht, bei 403 ein Ausbilden einer leitenden Schicht auf der ersten Aluminiumoxidschicht, bei 404 ein Anordnen eines ersten Halbleiterchips auf der leitenden Schicht und elektrisches Verbinden mit dieser und bei 405 ein Einkapseln des ersten Halbleiterchips in einem elektrischen Isolationskörper, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  • Das Verfahren 400 kann ferner ein Strukturieren der leitenden Schicht umfassen, um Leiterbahnen in der leitenden Schicht zu erzeugen.
  • Das Eloxieren des ersten Substrats kann ferner umfassen, dass das erste Substrat mit einer Maske, z.B. einer Photomaske, bedeckt wird, bevor das erste Substrat eloxiert wird. Auf diese Weise kann die erste Aluminiumoxidschicht nur auf vordefinierten Bereichen des ersten Substrats erzeugt werden.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls. Das Verfahren 500 kann z.B. dazu genutzt werden, um die Leistungshalbleitermodule 300 oder 300' herzustellen.
  • Das Verfahren 500 umfasst bei 501 ein Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats, welches eines oder mehrere von einem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und einem Kühlkörper umfasst, bei 502 ein Eloxieren des Aluminiumsubstrats, um eine Aluminiumoxidschicht zu erzeugen und bei 503 ein Anordnen einer Leiterplatte über der Aluminiumoxidschicht, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  • Das Verfahren 500 kann ferner ein Auftragen einer Wärmeleitpaste auf die Aluminiumoxidschicht umfassen, wobei die Leiterplatte auf der Wärmeleitpaste angeordnet wird und wobei die Wärmeleitpaste elektrisch leitend ist.
  • 6 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 600. Das Leistungshalbleitermodul 600 kann zu den Leistungshalbleitermodulen 100 bis 300' ähnlich sein, abgesehen von den im Folgenden beschriebenen Unterschieden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 600 umfasst ein Substrat 602, eine Oxidschicht 604, einen Halbleiterchip 606 und ein elektrisches Isolationsmaterial 608. Gemäß einem Beispiel kann das Substrat 602 zu dem ersten Substrat 102 ähnlich oder identisch sein, die Oxidschicht 604 kann zu der ersten Aluminiumoxidschicht 104 ähnlich oder identisch sein, der Halbleiterchip 606 kann zu dem ersten Halbleiterchip 108 ähnlich oder identisch sein und das Isolationsmaterial 608 kann zu dem Isolationsmaterial 110 ähnlich oder identisch sein.
  • Das Substrat 602 des Leistungshalbleitermoduls 600 ist elektrisch leitfähig und es weist eine erste Seite 602 1 und eine gegenüberliegende zweite Seite 602 2 auf. Der Halbleiterchip 608 ist auf der ersten Seite 602_1 des Substrats 602 angeordnet und die Oxidschicht 604 ist zumindest auf der zweiten Seite 602_2 des Substrats 602 angeordnet. Insbesondere kann die Oxidschicht 604 die zweite Seite 602_2 vollständig bedecken.
  • Gemäß einem Beispiel weist das Substrat 602 Cu auf oder besteht vollständig aus Cu. Das Substrat 602 kann z.B. Teil eines Leiterrahmens sein. Das Substrat 602 kann ein dezidierter Chipträger sein.
  • Die Oxidschicht 604 kann eine Aluminiumoxidschicht sein und sie kann eine eloxierte Schicht sein, wie im Zusammenhang mit der ersten Aluminiumoxidschicht 104 beschrieben. Gemäß einem Beispiel ist die Oxidschicht 604 dazu ausgebildet, das Substrat 602 an der zweiten Seite 602_2 elektrisch zu isolieren. Insbesondere kann die Oxidschicht 604 dazu ausgebildet sein, das Substrat 602 an einer äußeren Fläche des Leistungsmoduls 600 elektrisch nach außen zu isolieren.
  • Das Isolationsmaterial 608 kann dazu ausgebildet sein, den Halbleiterchip 606 einzukapseln. Das Isolationsmaterial 608 kann z.B. ein Formgussmaterial sein. Die Oxidschicht 604 kann von dem Isolationsmaterial 608 unbedeckt sein. Zum Beispiel kann das Isolationsmaterial 608 nicht an der zweiten Seite 602_2 des Substrats 602 angeordnet sein.
  • 7 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 700. Das Leistungshalbleitermodul 700 kann zu dem Leistungshalbleitermodul 600 ähnlich oder identisch sein und nur die im Folgenden beschriebenen Unterschiede aufweisen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 700 weist eine zusätzliche Schicht 702 auf, die zwischen dem Substrat 602 und der Oxidschicht 604 angeordnet ist. Die zusätzliche Schicht 702 kann z.B. Al, Ti, oder Ni aufweisen oder daraus bestehen. Die zusätzliche Schicht 702 kann z.B. auch eine Legierung aus einem oder mehreren dieser Metalle aufweisen oder daraus bestehen.
  • Das Substrat 602 kann z.B. aus Cu bestehen oder Cu aufweisen und die zusätzliche Schicht 702 kann dazu dienen, eine Keimschicht oder Haftungsschicht für die Oxidschicht 604 bereitzustellen. Die zusätzliche Schicht 702 kann z.B. auf das Substrat 602 aufgewalzt sein (d.h., der Begriff „Schicht“ muss nicht notwendigerweise eine aufgewachsene Schicht bezeichnen, sondern kann z.B. auch ein Blech oder eine Folie bezeichnen, das oder die auf dem Substrat 602 angeordnet ist) .
  • Gemäß einem Beispiel kann das Substrat 602 eine Dicke senkrecht zu den ersten und zweiten Seiten 602_1, 602_2 aufweisen, die größer als eine Dicke der zusätzlichen Schicht 702 ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Dicke der zusätzlichen Schicht 702 größer als die Dicke des Substrats 602 ist.
  • 8 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 800. Das Leistungshalbleitermodul 800 kann zu den Leistungshalbleitermodulen 600 bzw. 700 ähnlich oder identisch sein und nur die im Folgenden beschriebenen Unterschiede aufweisen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 800 weist einen oder mehrere Kontakte 802 auf, der oder die zur Kontaktierung des Halbleiterchips 606 von außen ausgebildet sein können. Der oder die Kontakte 802 können z.B. seitlich neben dem Substrat 602 angeordnet sein, entweder in einer Ebene mit dem Substrat 602 oder auch über oder unter der Ebene mit dem Substrat 602.
  • Gemäß einem Beispiel können der oder die Kontakte 802 Teil desselben Leiterrahmens wie das Substrat 602 sein. Der oder die Kontakte 802 können die gleiche Dicke wie das Substrat 602 aufweisen oder sie können eine andere Dicke, z.B. eine geringere Dicke, aufweisen.
  • Gemäß einem Beispiel kann die Oxidschicht 604 (und falls vorhanden die zusätzliche Schicht 702) lediglich an dem Substrat 602, nicht aber an dem oder den Kontakten 802 angeordnet sein. Es ist z.B. möglich, dass bei der Fabrikation des Leistungshalbleitermoduls 800 die Oxidschicht 604 (und auch die zusätzliche Schicht 702) lediglich auf dem Substrat 602 erzeugt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Oxidschicht 604 (und auch zusätzliche Schicht 702) sowohl auf dem Substrat 602 als auch auf dem oder den Kontakten 802 erzeugt und anschließend von dem oder den Kontakten 802 wieder entfernt wird.
  • 9 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 900. Das Leistungshalbleitermodul 900 kann zu den Leistungshalbleitermodulen 600 bis 800 ähnlich oder identisch sein und nur die im Folgenden beschriebenen Unterschiede aufweisen.
  • Bei dem Leistungshalbleitermodul 900 ist die Oxidschicht 604 nicht nur an der zweiten Seite 602 2 des Substrats 602 angeordnet, sondern zumindest zum Teil auch an der ersten Seite 602_1. Gemäß einem Beispiel kann die zusätzliche Schicht 702 (vollständig) zwischen dem Substrat 602 und der Oxidschicht 604 angeordnet sein und sich ebenfalls zumindest zum Teil auch an der ersten Seite 602_1 befinden.
  • Die Oxidschicht 604 und, sofern vorhanden, die zusätzliche Schicht 702 können die erste Seite 602_1 des Substrats 602 derart bedecken, dass das Substrat 602 in einer Öffnung 902 an der Oxidschicht 604 bzw. der zusätzlichen Schicht 702 freiliegt. Der Halbleiterchip 606 kann in der Öffnung 902 angeordnet und mit dem Substrat 602 elektrisch verbunden sein.
  • Gemäß einem Beispiel kann das Leistungshalbleitermodul 900 einen oder mehrere weitere Halbleiterchips 904 aufweisen. Diese weiteren Halbleiterchips 904 können z.B. an der ersten Seite 602 1 auf der Oxidschicht 604 angeordnet und dadurch von dem Substrat 602 elektrisch isoliert sein. Der oder die weiteren Halbleiterchips 904 können z.B. mittels Bonddrähten, Bändern oder Clips mit dem Halbleiterchip 606 und/oder äußeren Kontakten des Leistungshalbleitermoduls 900 elektrisch verbunden sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 900 kann das Isolationsmaterial 608 aufweisen (in 9 nicht gezeigt), welches den Halbleiterchip 606 und auch den oder die weiteren Halbleiterchips 904 einkapseln kann.
  • 10 zeigt ein weiteres Leistungshalbleitermodul 1000. Das Leistungshalbleitermodul 1000 kann zu den Leistungshalbleitermodulen 600 bis 900 ähnlich oder identisch sein und nur die im Folgenden beschriebenen Unterschiede aufweisen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1000 weist das Substrat 602, die Oxidschicht 604, den Halbleiterchip 606, den Isolationskörper 608 und zusätzlich einen Modulträger 1002 auf, welcher an der Oxidschicht 604 angeordnet ist. Das Substrat 602 kann z.B. durch mechanische Befestigungsmittel wie etwa Schrauben, Bolzen oder Klammern oder auch mittels einer Klebeschicht an dem Modulträger 1002 befestigt sein. Die Oxidschicht 604 kann dazu ausgebildet sein, das Substrat 602 (und damit auch den Halbleiterchip 606) gegenüber dem Modulträger 1002 elektrisch zu isolieren.
  • Der Modulträger 1002 kann z.B. ein Kühlkörper sein, der dazu ausgebildet ist, von dem Halbleiterchip 606 erzeugte Wärme abzuführen. Der Kühlkörper kann für Luftkühlung oder auch für Flüssigkeitskühlung ausgelegt sein. Zum Beispiel kann der Kühlkörper einen Kanal mit einer Kühlflüssigkeit aufweisen. Gemäß einem Beispiel kann das Substrat 602 bzw. die Oxidschicht 604 auf einer äußeren Oberfläche des Kühlköpers angeordnet sein (wie in 10 gezeigt). Eine derartige Kühlung kann als „indirekte Kühlung“ bezeichnet werden. Dabei ist es möglich, dass eine Schicht Wärmeleitpaste 1004 auf der Oberfläche des Kühlkörpers zwischen der Oxidschicht 604 und dem Kühlkörper angeordnet ist und dazu beiträgt, eine thermische Verbindung zwischen dem Substrat 602 und dem Kühlkörper bereitzustellen.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass bei dem Leistungshalbleitermodul 1000 eine sog. „direkte Kühlung“ verwendet wird. Das bedeutet, dass die Oxidschicht 604 in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit steht, also einen Teil der Innenwand des Kanals mit Kühlflüssigkeit bildet. In diesem Fall kann die Oxidschicht 604 insbesondere dazu dienen, das Substrat 602 elektrisch von der Kühlflüssigkeit zu isolieren.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden werden ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls anhand von Beispielen weiter erläutert.
  • Beispiel 1 ist ein Leistungshalbleitermodul umfassend ein erstes Substrat, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, eine auf dem ersten Substrat angeordnete erste Aluminiumoxidschicht, eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht angeordnete leitende Schicht, einen ersten Halbleiterchip, wobei der erste Halbleiterchip auf der leitenden Schicht angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist und ein elektrisches Isolationsmaterial, das den ersten Halbleiterchip umschließt, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  • Beispiel 2 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 1, wobei die erste Aluminiumoxidschicht eine Dicke von 400nm oder mehr aufweist.
  • Beispiel 3 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 1 oder 2, wobei die erste Aluminiumoxidschicht eine eloxierte Schicht ist.
  • Beispiel 4 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, wobei die leitende Schicht eine strukturierte Schicht ist, die Leiterbahnen umfasst.
  • Beispiel 5 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, wobei die leitende Schicht ein Schichtstapel von mindestens zwei Metallschichten ist.
  • Beispiel 6 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, wobei der erste Halbleiterchip durch eine Sinterverbindung mit der leitenden Schicht verbunden ist.
  • Beispiel 7 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, ferner umfassend eine auf dem ersten Substrat angeordnete zweite Aluminiumoxidschicht, wobei eine erste Dicke der ersten Aluminiumoxidschicht größer ist als eine zweite Dicke der zweiten Aluminiumoxidschicht.
  • Beispiel 8 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, ferner umfassend ein zweites Substrat, wobei das zweite Substrat eine in eine obere und untere Metallschicht eingebettete elektrische Isolationsschicht umfasst, wobei ein zweiter Halbleiterchip auf dem zweiten Substrat angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden ist und wobei das erste und das zweite Substrat durch das elektrische Isolationsmaterial elektrisch voneinander isoliert sind.
  • Beispiel 9 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 8, wobei der zweite Halbleiterchip durch eine Lotverbindung mit dem zweiten Substrat verbunden ist.
  • Beispiel 10 ist ein Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Beispiele, wobei das erste Substrat eine in eine obere und untere Metallschicht eingebettete elektrische Isolationsschicht umfasst, wobei die erste Aluminiumoxidschicht und ein zweiter Halbleiterchip auf der oberen Metallschicht angeordnet sind und wobei der erste Halbleiterchip durch die erste Aluminiumoxidschicht von der oberen Metallschicht elektrisch isoliert ist.
  • Beispiel 11 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 10, wobei der erste Halbleiterchip durch eine erste Sinterverbindung mit der leitenden Schicht elektrisch verbunden ist und wobei der zweite Halbleiterchip durch eine zweite Sinterverbindung mit der oberen Metallschicht elektrisch verbunden ist.
  • Beispiel 12 ist ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Aluminiumsubstrat, welches ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und/oder einen Kühlkörper umfasst, eine Aluminiumoxidschicht, welche auf dem Aluminiumsubstrat angeordnet ist und eine Leiterplatte, welche über der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  • Beispiel 13 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 12, wobei die Aluminiumoxidschicht eine eloxierte Schicht ist.
  • Beispiel 14 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 12 oder 13, ferner umfassend eine Schicht Wärmeleitpaste, die zwischen der Aluminiumoxidschicht und der Leiterplatte angeordnet ist.
  • Beispiel 15 ist ein Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 14, wobei die Wärmeleitpaste elektrisch leitend ist.
  • Beispiel 16 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend ein Bereitstellen eines ersten Substrats, wobei das erste Substrat Aluminium umfasst, ein Eloxieren des ersten Substrats zum Erzeugen einer ersten Aluminiumoxidschicht, ein Ausbilden einer leitenden Schicht auf der ersten Aluminiumoxidschicht, ein Anordnen eines ersten Halbleiterchips auf der leitenden Schicht und elektrisches Verbinden mit dieser und ein Einkapseln des ersten Halbleiterchips in einem elektrischen Isolationskörper, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  • Beispiel 17 ist ein Verfahren nach Beispiel 16, ferner umfassend ein Strukturieren der leitenden Schicht, um Leiterbahnen zu erzeugen.
  • Beispiel 18 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend ein Bereitstellen eines Aluminiumsubstrats, welches ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und/oder einen Kühlkörper umfasst, ein Eloxieren des Aluminiumsubstrats, um eine Aluminiumoxidschicht zu erzeugen und ein Anordnen einer Leiterplatte über der Aluminiumoxidschicht, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  • Beispiel 19 ist ein Verfahren nach Beispiel 18, ferner umfassend ein Auftragen einer Wärmeleitpaste auf die Aluminiumoxidschicht, wobei die Leiterplatte auf der Wärmeleitpaste angeordnet wird und wobei die Wärmeleitpaste elektrisch leitend ist.
  • Beispiel 20 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, die Vorrichtung umfassend Mittel zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Beispiele 16 bis 19.
  • Beispiel 21 ist ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Substrat, wobei das Substrat elektrisch leitfähig ist und eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, einen auf der ersten Seite des Substrats angeordneten Halbleiterchip, wobei der Halbleiterchip mit dem Substrat elektrisch verbunden ist, ein elektrisches Isolationsmaterial, das den ersten Halbleiterchip umschließt, und eine zumindest auf der zweiten Seite des Substrats angeordnete Oxidschicht.
  • Beispiel 22 ist das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 21, ferner umfassend einen Kühlkörper, welcher an der Oxidschicht angeordnet ist.
  • Beispiel 23 ist das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 22, ferner umfassend eine Schicht Wärmeleitpaste, die zwischen der Oxidschicht und dem Kühlkörper angeordnet ist.
  • Beispiel 24 ist das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 22, wobei die Oxidschicht eine Innenwand eines Kanals für Kühlflüssigkeit des Kühlkörpers bildet.
  • Es ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Beispiele ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Beispiele abdecken.

Claims (16)

  1. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200), umfassend: ein erstes Substrat (102), wobei das erste Substrat (102) ein Direct-Aluminium-Bond-Substrat ist, eine auf dem ersten Substrat (102) angeordnete erste Aluminiumoxidschicht (104), eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht (104) angeordnete leitende Schicht (106), einen ersten Halbleiterchip (108), wobei der erste Halbleiterchip (108) auf der leitenden Schicht (106) angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist, und ein elektrisches Isolationsmaterial (110), das den ersten Halbleiterchip (108) umschließt, wobei die erste Aluminiumoxidschicht (104) dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip (108) von dem ersten Substrat (102) elektrisch zu isolieren.
  2. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach Anspruch 1, wobei die erste Aluminiumoxidschicht (104) eine Dicke von 400nm oder mehr aufweist.
  3. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Aluminiumoxidschicht (104) eine eloxierte Schicht ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitende Schicht (106) eine strukturierte Schicht ist, die Leiterbahnen umfasst.
  5. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitende Schicht (106) ein Schichtstapel von mindestens zwei Metallschichten ist.
  6. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip (108) durch eine Sinterverbindung mit der leitenden Schicht (106) verbunden ist.
  7. Leistungshalbleitermodul (100, 100', 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine auf dem ersten Substrat (102) angeordnete zweite Aluminiumoxidschicht (114), wobei eine erste Dicke der ersten Aluminiumoxidschicht (104) größer ist als eine zweite Dicke der zweiten Aluminiumoxidschicht (114).
  8. Leistungshalbleitermodul (100'), umfassend: ein erstes Substrat (102), wobei das erste Substrat (102) Aluminium umfasst, eine auf dem ersten Substrat (102) angeordnete erste Aluminiumoxidschicht (104), eine auf der ersten Aluminiumoxidschicht (104) angeordnete leitende Schicht (106), einen ersten Halbleiterchip (108), wobei der erste Halbleiterchip (108) auf der leitenden Schicht (106) angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist und Teil eines Logik- oder Steuerschaltkreises ist, der auf dem ersten Substrat (102) angeordnet ist, ein elektrisches Isolationsmaterial (110), das den ersten Halbleiterchip (108) umschließt, wobei die erste Aluminiumoxidschicht (104) dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip (108) von dem ersten Substrat (102) elektrisch zu isolieren, ein zweites Substrat (116), wobei das zweite Substrat (116) eine in eine obere und untere Metallschicht (116_1, 116_2) eingebettete elektrische Isolationsschicht (116_3) umfasst, wobei ein zweiter Halbleiterchip (112) auf dem zweiten Substrat (116) angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden ist und Teil eines Leistungsschaltkreises ist, der auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, und wobei das erste und das zweite Substrat (102, 116) durch das elektrische Isolationsmaterial (110) elektrisch voneinander isoliert sind.
  9. Leistungshalbleitermodul (100') nach Anspruch 8, wobei der zweite Halbleiterchip (112) durch eine Lotverbindung mit dem zweiten Substrat (116) verbunden ist.
  10. Leistungshalbleitermodul (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (102) eine in eine obere und untere Metallschicht (201, 202) eingebettete elektrische Isolationsschicht (203) umfasst, wobei die erste Aluminiumoxidschicht (104) und ein zweiter Halbleiterchip (112) auf der oberen Metallschicht (201) angeordnet sind, und wobei der erste Halbleiterchip (108) durch die erste Aluminiumoxidschicht (104) von der oberen Metallschicht (201) elektrisch isoliert ist.
  11. Leistungshalbleitermodul (200) nach Anspruch 10, wobei der erste Halbleiterchip (108) durch eine erste Sinterverbindung mit der leitenden Schicht (106) elektrisch verbunden ist und wobei der zweite Halbleiterchip (112) durch eine zweite Sinterverbindung mit der oberen Metallschicht (201) elektrisch verbunden ist.
  12. Leistungshalbleitermodul (300, 300'), umfassend: ein Aluminiumsubstrat (302), welches ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und/oder einen Kühlkörper umfasst, eine Aluminiumoxidschicht (304), welche auf dem Aluminiumsubstrat (302) angeordnet ist, und eine Leiterplatte (306), welche über der Aluminiumoxidschicht (304) angeordnet ist, wobei ein Leistungshalbleiterchip (308) in die Leiterplatte (306) eingebettet ist, eine Schicht Wärmeleitpaste (310), die zwischen der Aluminiumoxidschicht (304) und der Leiterplatte (306) angeordnet ist, und wobei die Aluminiumoxidschicht (304) dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip (308) von dem Aluminiumsubstrat (302) elektrisch zu isolieren.
  13. Verfahren (400) zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend: Bereitstellen (401) eines ersten Substrats, wobei das erste Substrat ein Direct-Aluminium-Bond-Substrat ist, Eloxieren (402) des ersten Substrats zum Erzeugen einer ersten Aluminiumoxidschicht, Ausbilden (403) einer leitenden Schicht auf der ersten Aluminiumoxidschicht, Anordnen (404) eines ersten Halbleiterchips auf der leitenden Schicht und elektrisches Verbinden mit dieser, und Einkapseln (405) des ersten Halbleiterchips in einem elektrischen Isolationskörper, wobei die erste Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterchip von dem ersten Substrat elektrisch zu isolieren.
  14. Verfahren (500) zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das Verfahren umfassend: Bereitstellen (501) eines Aluminiumsubstrats, welches ein Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls und/oder einen Kühlkörper umfasst, Eloxieren (502) des Aluminiumsubstrats, um eine Aluminiumoxidschicht zu erzeugen, und Anordnen (503) einer Leiterplatte über der Aluminiumoxidschicht, wobei ein Leistungshalbleiterchip in die Leiterplatte eingebettet ist, Auftragen einer Wärmeleitpaste auf die Aluminiumoxidschicht, wobei die Leiterplatte auf der Wärmeleitpaste angeordnet wird und wobei die Wärmeleitpaste elektrisch leitend ist, und wobei die Aluminiumoxidschicht dazu ausgebildet ist, den Leistungshalbleiterchip von dem Aluminiumsubstrat elektrisch zu isolieren.
  15. Leistungshalbleitermodul (600, 700, 800, 900, 1000), umfassend: ein Substrat (602), wobei das Substrat (602) elektrisch leitfähig ist und eine erste Seite (602_1) und eine gegenüberliegende zweite Seite (602_2) aufweist, einen auf der ersten Seite (602_1) des Substrats (602) angeordneten Halbleiterchip (606), wobei der Halbleiterchip (606) mit dem Substrat (602) elektrisch verbunden ist, ein elektrisches Isolationsmaterial (608), das den ersten Halbleiterchip (606) umschließt, und eine zumindest auf der zweiten Seite (602_2) des Substrats (602) angeordnete Oxidschicht (604).
  16. Leistungshalbleitermodul (600, 700, 800, 900, 1000) nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Kühlkörper (1002), welcher an der Oxidschicht (604) angeordnet ist.
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