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WO2006063539A1 - Halbleiterschaltmodul - Google Patents

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Publication number
WO2006063539A1
WO2006063539A1 PCT/DE2004/002770 DE2004002770W WO2006063539A1 WO 2006063539 A1 WO2006063539 A1 WO 2006063539A1 DE 2004002770 W DE2004002770 W DE 2004002770W WO 2006063539 A1 WO2006063539 A1 WO 2006063539A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching module
semiconductor switching
contact
power semiconductor
electrically conductive
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/002770
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Apfelbacher
Norbert Reichenbach
Johann Seitz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/DE2004/002770 priority Critical patent/WO2006063539A1/de
Priority to US11/793,038 priority patent/US7692293B2/en
Priority to CNA200480044638XA priority patent/CN101084578A/zh
Priority to AT04802956T priority patent/ATE535018T1/de
Priority to EP04802956A priority patent/EP1825511B1/de
Priority to DE112004003047T priority patent/DE112004003047A5/de
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    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19043—Component type being a resistor

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor switching module according to the preamble of claim 1.
  • Semiconductor switch modules are used when switching from load voltages of up to several hundred amperes frequently and almost silently at operating voltages of a few hundred volts.
  • Wiring can be made with the load circuit to be switched.
  • a large part of the interior of the module housing is filled with an insulating potting compound.
  • For heat dissipation is also on the side of the base substrate, which is opposite to the side with the power semiconductor chip, a suitably sized heat sink attached.
  • the power semiconductor element of such a semiconductor switching module can also be constructed according to the so-called planar technology.
  • planar technology Such a planar structure of a power semiconductor element is known, for example, from WO 03/030247.
  • the components are mounted on the base substrate, which consists of a ceramic base with copper layers applied on both sides. Further surface-applied layers of electrically isotropic In the case of insulating and electrically conductive materials, the components can then be contacted with one another in a planar manner and without additional wires or connected with connection elements.
  • the use of such power semiconductor elements embodied in planar technology largely eliminates the wiring required in the bonding technology, but also in the conventional soldering technology.
  • the isolation between the individual components and the electrically conductive layers is also effected here alone by the electrically insulating layers, so that it is possible to dispense with an additional potting compound.
  • the electrically insulating layers thus serve, in particular when they extend almost over the entire surface of the power semiconductor element, to increase the creepage distances between the various conductive layers and components.
  • semiconductor switching modules can be made more compact, less expensive and thus more cost-effective.
  • Power semiconductor chips in semiconductor switching modules have a control connection for switching the load currents, to which a control signal is applied.
  • a load current conducted via a load terminal and a base of the power semiconductor chip is then controlled and switched therewith.
  • the connection of the load circuit and the control signal can be effected by means of the bonding or planar technology described above.
  • the connection by means of the bonding technology has the disadvantage that it is very expensive.
  • Connecting exclusively by means of planar technology has the disadvantage that the planar electrically conductive layers for connecting the load and control connections cover parts of the surface of the power semiconductor element and thus create complex and complex planar structures.
  • Object of the present invention is to provide a semiconductor switching module in which the connection of the load terminals, but also the control terminals is less expensive overall.
  • a running in planar technology power semiconductor element comprising a base layer, a copper layer, at least one mounted on the copper layer power semiconductor chip and another electrically conductive, and at least one load terminal of the power semiconductor chip overlapping and thus standing in electrical contact with this, layer .
  • the means are formed so that they press with a contact surface surface on the electrically conductive layer.
  • the semiconductor switching module according to the invention thus enables a simple connection of the load circuit to be switched to the load terminal of the power semiconductor chip.
  • the inventively provided means allow a pressure contact for secure connection, which is less expensive than known bonding or solder joints.
  • the further electrically conductive layer produced in planar technology which may consist in particular of copper, additionally serves as surface protection for the terminals of the power semiconductor chip. This is especially true for the load connection, which is claimed by the pressure contact accordingly.
  • a very planar surface can be produced, which ensures a secure surface covering for the contact surface of the means.
  • the sheet-like pressure contact in conjunction with a power semiconductor element produced in planar technology thus has the advantage of a significantly higher load cycle resistance compared to the point-like bonding types bonding and soldering. This is particularly important for applications with short-term high loads, as they are given for example in soft starters.
  • the contact surface preferably has a surface shape which corresponds to a surface shape of the load connection.
  • the pressure contact will be made directly on the power semiconductor chip.
  • the power semiconductor element can be pressed exactly at the location of the power semiconductor chip on a, mounted on the opposite side of the power semiconductor element, the heat sink.
  • optimal thermal contact between the ceramic of the power semiconductor element and the heat sink is achieved precisely at the location of the power semiconductor chip. This makes it possible to achieve a very good power dissipation from the power semiconductor chip to the heat sink.
  • the further electrically conductive layer has to be extended beyond the surface of the power semiconductor chip in such a way that a planar contact can be produced next to the power semiconductor chip with the contact surface, between this electrically conductive layer and the surface of the underlying copper layer and the power semiconductor chip a electrically insulating layer is arranged, which has at the location where the load terminal of the power semiconductor chip, a window to establish an electrical contact between the further electrically conductive layer and the load terminal.
  • the pressure contact can be used to achieve a spatial separation between the contact means for the load and control connection in addition to the power semiconductor chip.
  • the means comprise at least one contact means and biasing means, wherein the biasing means press the at least one contact means with its contact surface areally on the further electrically conductive layer.
  • the contact means must be designed as a hollow body for receiving a contact means for the control connection.
  • the power semiconductor element and thus also the semiconductor switching module can be smaller overall, since no additional areas in addition to the power semiconductor chip for contacting are necessary.
  • the contact means is formed, for example, in two parts, wherein the two parts together with a curvature surface together to lie down. The curvature allows the two parts to lie relative to each other so that a secure surface contact is achieved.
  • the contact means may consist of annealed copper. Due to its lower hardness, it can then give way even with small misalignments and cling to the contact surface.
  • the biasing means is designed as a bracket, which has a bulge in particular at the point where it comes into contact with the contact means. Due to the curved surface of the bulge of the biasing means a punctual force is exerted directly on the contact means. As a result, a secure contact is achieved, and also allows a compensation of misalignments.
  • biasing means fastening means with which the bracket is attached for example, to a module housing, pressure is applied to the contact means only with the tightening of the fastening means of the biasing means.
  • the fastening means may also be provided so that the bracket is connected directly to the power semiconductor element, which then can be dispensed with a module housing.
  • Power semiconductor element, contact means and biasing means then form a unit that already assembled represents a reliable pressure contact and thus a functioning semiconductor switching module.
  • the biasing means itself may also be part of the module housing of the semiconductor switching module. By eliminating the otherwise additional biasing means, the semiconductor switching module can be produced more cheaply.
  • contact means and biasing means are integrally formed as a resilient element. That is, the contacting and the pressurization take place via a single component. This in turn achieves a more cost-effective semiconductor switching module.
  • the contact agent can serve as a short-term heat store.
  • the temperature of the power semiconductor chip can be kept within a permissible range.
  • the contact means with only minimal thermal resistance is connected to the top of the power semiconductor chip and can thus very effectively short high Shut off power losses.
  • the main cooling load is still taken over by the heat sink, which is provided on the side of the power semiconductor element, which lies opposite the side with the power semiconductor chip. The heat sink can then be dimensioned smaller.
  • 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the semiconductor switching module according to the invention
  • 2 shows a schematic representation of a second embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a plan view of parts of the fourth embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows an inventive structure of a semiconductor switching module 1, as would be used, for example, in soft starters.
  • the semiconductor switching module according to the invention comprises a power semiconductor element 10, as well as means 20 and 30 for securely connecting the load terminal L to a load current circuit, not shown.
  • the semiconductor switching module also has a housing 40 and a heat sink 50, for dissipating the heat produced by a power semiconductor chip 140.
  • the basis for the present invention is the power semiconductor element 10 constructed using Planar technology, as it is known, for example, from WO 03/030247.
  • the power semiconductor element consists of a ceramic carrier 110 with two copper platings 120 and 130. On the copper layer 120 of the power semiconductor chip 140 is soldered.
  • this electrically non-conductive layer 150 has a window, so that the load terminal L is exposed.
  • another electrically conductive layer 160 is again applied by means of planar technology. Typical layer thicknesses of this electrically conductive layer 160, which preferably also consists of copper, amount to 100-200 ⁇ m.
  • an insulating film may be applied by means of planar technology.
  • means 20 and 30 for securely connecting the load terminal L to the load circuit to be switched by the power semiconductor chip 140 are now provided.
  • the electrically conductive contact means 121 with its contact surface A is now pressed onto the electrically conductive layer 160, which is located directly above the load terminal L, via the means 30.
  • this is done in particular by means of a bracket 130 which is screwed with a plurality of fastening means, here two screws 132, with the module housing 40 and which has a bulge 131.
  • the semiconductor switching module When assembling the semiconductor switching module, it may, for example, due to dimensional tolerances of the individual components Menten, come to misalignment between the power semiconductor element 10, the means 20 and 30, the module housing 40 and the heat sink 50. As a result, contact surface A, which is generally large in area, will no longer be pressed onto the further electrically conductive layer 160 over the entire surface, which leads to an increased electrical contact resistance and thus to increased thermal losses of power semiconductor chip 140.
  • a taper 128 is provided in the embodiment shown in FIG. 1 for the contact means 121.
  • other measures such as the use of annealed copper as the material for the contact means 121 are possible.
  • the bracket 130 is provided with a bulge 131 in order to ensure a punctual pressing and thus secure contact of the contact means 121 with the further, electrically conductive layer 150.
  • FIG. 1 A second embodiment is shown in FIG.
  • the contact means is formed in two parts: By appropriate shaping of the curvature surface W of the two parts elements 221 and 221 'sufficient mobility to compensate for any misalignment between contact means 221 and the power semiconductor element 10 is achieved.
  • FIG. 3 shows various further contact means and biasing means according to the invention.
  • the electrically conductive layer 160 is led beyond the power semiconductor chip 140.
  • the contacting between contact means 321 and load connection L is also effected here via the further electrically conductive layer 160.
  • FIG. 3 a further embodiment is shown in FIG.
  • the here more rod-shaped contact means 322 in this case has a corresponding terminal 327 for connecting an electrical conductor 326.
  • the contact means 322 can then be connected from the outside.
  • the contact means 322 is guided in a groove 334. By this groove 334 the contact means is braced and at the same time small misalignments can be compensated.
  • the contact means 323 is simultaneously biasing means. That is, by a suitable shaping and clamping in the module housing 40 presses the contact means 323 after assembly directly to another electrically conductive layer 160th
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a contact means 421 of the semiconductor switching module 1 according to the invention.
  • the control connection S is generally surrounded by the load connection L.
  • a large-area load connection L which is usually required for switching high currents can be achieved, while a small area is sufficient for the control connection S.
  • the further electrically conductive layers 160 applied by the planar technology act as a protective layer for the load and the control connection.
  • the mechanical loads on the connections can be reduced.
  • the almost vertical contact makes it possible to achieve the greatest possible clearance and creepage distances. This has an advantageous effect in particular in connection with the application of an insulating film to increase the air and creepage distances.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul (1) mit ei­nem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalbleiter­element (10). Das Leistungshalbleiterelement (10) umfasst da­bei eine Basisschicht (110), eine Kupferschicht (120), zumin­dest einen auf der Kupferschicht (120) angebrachten Leis­tungshalbleiterchip (140) sowie eine weitere elektrisch lei­tende, und zumindest einen Lastanschluss (L) des Leistungs­halbleiterchips (140) überdeckende, Schicht (160). Erfin­dungsgemäß sind Mittel (20,30) zum sicheren Anschließen des Lastanschlusses (L) an einen zu schaltenden Laststromkreis vorgesehen, wobei die Mittel (20,30) so ausgebildet sind, dass sie mit einer Kontaktfläche (A) flächig auf die elekt­risch leitende Schicht (160) aufdrücken.

Description

Beschreibung
Halbleiterschaltmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterschaltmodule kommen dann zur Anwendung, wenn es darum geht, bei Betriebsspannungen von einigen hundert Volt, Lastströme bis zu mehreren Hundert Ampere häufig und nahezu geräuschlos zu schalten.
Halbleiterschaltmodule können dabei beispielsweise nach der so genannten Bonding-Technologie hergestellt werden. Dabei wird das eigentliche Leistungshalbleiterelement, bestehend aus einem Basissubstrat und. dem darauf angebrachten Leistungshalbleiterchip sowie weiterer Bauelemente, über entsprechende Bonding-Drähte mit Anschlusselementen verbunden. Diese Anschlusselemente sind durch das Modulgehäuse des Halbleiter- schaltmoduls nach außen geführt, so dass eine entsprechende
Beschaltung mit dem zu schaltenden Laststromkreis vorgenommen werden kann. Zur elektrischen Isolation sowohl der Bauelemente als auch der Bonding-Drähte wird ein Großteil des Innenraums des Modulgehäuses mit einer isolierenden Vergussmasse aufgefüllt. Zur Wärmeabfuhr ist zudem auf der Seite des Basissubstrats, die der Seite mit dem Leistungshalbleiterchip gegenüberliegt, ein entsprechend dimensionierter Kühlkörper angebracht.
Alternativ kann das Leistungshalbleiterelement eines solchen Halbleiterschaltmoduls auch nach der so genannten Planar- Technologie aufgebaut werden. Solch ein planarer Aufbau eines Leistungshalbleiterelements ist beispielsweise aus der WO 03/030247 bekannt. Hier werden die Bauelemente auf dem Ba- sissubstrat, das aus einer Keramikbasis mit beidseitig aufgebrachten Kupferschichten besteht, angebracht. Über weitere auf die Oberfläche aufgebrachte Schichten aus elektrisch iso- Iierenden und elektrisch leitenden Materialien können die Bauelemente dann flächig und ohne zusätzliche Drähte miteinander kontaktiert oder mit Anschlusselementen verbunden werden. Durch die Verwendung solcher in Planar-Technologie aus- geführter Leistungshalbleiterelemente entfallen weitgehend die bei der Bonding-Technologie, aber auch die bei der herkömmlichen Löttechnik, benötigten Verdrahtungen. Die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen und den elektrisch leitenden Schichten wird hier zudem alleine von den elekt- risch isolierenden Schichten bewirkt, so dass auf eine zusätzliche Vergussmasse verzichtet werden kann. Die elektrisch isolierenden Schichten dienen somit, insbesondere dann, wenn sie sich nahezu über die gesamte Oberfläche des Leistungshalbleiterelements erstrecken, zur Erhöhung der Kriechstre- cken zwischen den verschiedenen leitenden Schichten und Bauelementen. Somit können Halbleiterschaltmodule kompakter, weniger aufwändig und damit auch kostengünstiger hergestellt werden.
Leistungshalbleiterchips in Halbleiterschaltmodulen, beispielsweise als Thyristoren ausgebildet, weisen zum Schalten der Lastströme einen Steueranschluss auf, an den ein Steuersignal angelegt wird. In Abhängigkeit von diesem Steuersignal wird dann ein, über einen Lastanschluss und eine Basis des Leistungshalbleiterchips geführter Laststrom gesteuert und damit geschaltet. Das Anschließen des Laststromkreises und des Steuersignals kann dabei mittels der zuvor beschriebenen Bonding- oder Planar-Technologie erfolgen. Das Anschließen mittels der Bonding-Technologie hat aber den Nachteil, dass es sehr aufwändig ist. Das Anschließen ausschließlich mittels Planar-Technologie hat den Nachteil, dass die planaren elektrisch leitenden Schichten zum Verbinden der Last- und Steueranschlüsse Teile der Oberfläche des Leistungshalbleiterelements überdecken und damit komplexe und aufwändige planare Strukturen entstehen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterschaltmodul anzugeben, bei dem das Anschließen der Lastanschlüsse, aber auch der Steueranschlüsse insgesamt weniger aufwändig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterschaltmodul
- mit einem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalbleiterelement, das eine Basisschicht, eine Kupferschicht, zumindest einen auf der Kupferschicht angebrachten Leistungs- halbleiterchip sowie eine weitere elektrisch leitende, und zumindest einen Lastanschluss des Leistungshalbleiterchips überdeckende und damit mit diesem in elektrischen Kontakt stehende, Schicht umfasst,
- mit Mitteln zum sicheren Anschließen des Lastanschlusses an einen zu schaltenden Laststromkreis,
- wobei die Mittel so ausgebildet sind, dass sie mit einer Kontaktfläche flächig auf die elektrisch leitende Schicht aufdrücken.
Das erfindungsgemäße Halbleiterschaltmodul ermöglicht so ein einfaches Anschließen des zu schaltenden Laststromkreises an den Lastanschluss des Leistungshalbleiterchips. Die erfindungsgemäß dafür vorgesehenen Mittel ermöglichen eine Druck- kontaktierung zum sicheren Anschließen, die weniger aufwändig ist als bekannte Bond- oder Lötverbindungen.
Die in Planar-Technologie hergestellte weitere elektrisch leitende Schicht, die insbesondere aus Kupfer bestehen kann, dient dabei zusätzlich als Oberflächenschutz für die An- Schlüsse des Leistungshalbleiterchips. Dies gilt insbesondere für den Lastanschluss, der durch die Druckkontaktierung entsprechend beansprucht wird. Zudem kann mit der weiteren e- lektrisch leitenden Schicht eine sehr plane Oberfläche erzeugt werden, die eine sichere ganzflächige Auflage für die Kontaktfläche der Mittel gewährleistet. Die flächenartige Druckkontaktierung in Verbindung mit einem in Planar-Technologie hergestellten Leistungshalbleiterelement hat damit gegenüber den punktartigen Verbindungsarten Bonden und Löten den Vorteil einer deutlich höheren Lastwech- selfestigkeit. Dies ist insbesondere für Anwendungen mit kurzzeitig hohen Belastungen wichtig, wie sie beispielsweise bei Sanftstartern gegeben sind.
Um einen möglichst kleinen Übergangswiderstand zu erreichen, weist die Kontaktfläche vorzugsweise eine Flächenform auf, die mit einer Flächenform des Lastanschlusses korrespondiert. Durch diese, dann mit maximal möglicher Kontaktfläche, bewirkte Druckkontaktierung wird ein verlustarmer Stromübertritt zwischen dem Lastanschluss des Leistungshalbleiterchips und dem daran anzuschließenden LastStromkreis erreicht. Somit können die beispielsweise bei Bondverbindungen üblichen Begrenzungen in der Stossstrombelastbarkeit vermieden werden.
Bevorzugt wird die Druckkontaktierung direkt auf dem Leis- tungshalbleiterchip erfolgen. So kann das Leistungshalbleiterelement genau am Ort des Leistungshalbleiterchips auf einen, an der gegenüberliegenden Seite des Leistungshalbleiterelements angebrachten, Kühlkörper gedrückt werden. Dadurch wird gerade am Ort des Leistungshalbleiterchips ein optimaler thermischer Kontakt zwischen der Keramik des Leistungshalbleiterelements und dem Kühlkörper erzielt. Damit lässt sich eine sehr gute Verlustleistungsabfuhr vom Leistungshalbleiterchip hin zum Kühlkörper erreichen.
Erfolgt die Druckkontaktierung dagegen auf dem Leistungshalbleiterelement neben dem Leistungshalbleiterchip, so muss die weitere elektrisch leitende Schicht so über die Oberfläche des Leistungshalbleiterchips hinaus ausgedehnt sein, dass mit der Kontaktfläche ein flächiger Kontakt neben dem Leistungs- halbleiterchip herstellbar ist, wobei zwischen dieser elektrisch leitenden Schicht und der Oberfläche der darunter liegenden Kupferschicht und des Leistungshalbleiterchips eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, die an der Stelle, an der sich der Lastanschluss des Leistungshalbleiterchip befindet, ein Fenster aufweist, um eine elektrische Kontaktierung zwischen der weiteren elektrisch leitenden Schicht und dem Lastanschluss herzustellen.
Da in vielen Fällen am Leistungshalbleiterchip der Lastanschluss und der Steueranschluss so angeordnet sind, dass letzterer vom Lastanschluss umschlossen ist, kann mit der Druckkontaktierung neben dem Leistungshalbleiterchip eine räumliche Trennung zwischen den Kontaktmitteln für den Last- und Steueranschluss erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen HaIb- leiterschaltmoduls umfassen die Mittel zumindest ein Kontaktmittel sowie Vorspannmittel, wobei die Vorspannmittel das zumindest eine Kontaktmittel mit seiner Kontaktfläche flächig auf die weitere elektrisch leitende Schicht aufdrücken. Dadurch ist eine besonders einfache Montage des Halbleiter- schaltmoduls mit wenigen Bauelementen gewährleistet.
Sollen der Last- und der Steueranschluss räumlich zusammenliegen, so muss, insbesondere bei der direkten Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips, das Kontaktmittel als Hohlkör- per zum Aufnehmen eines Kontaktmittels für den Steueranschluss ausgebildet sein. Damit kann das Leistungshalbleiterelement und damit auch das Halbleiterschaltmodul insgesamt kleiner werden, da keine zusätzlichen Flächen neben dem Leistungshalbleiterchip für die Kontaktierung notwendig sind.
Schiefstellungen zwischen der Oberfläche des Lastanschlusses und der Kontaktfläche des Kontaktmittels können zu einer Verringerung dieser miteinander in Verbindung stehenden Flächen und damit zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes des Kontaktes führen. Dies kann vermieden werden, indem das Kontaktmittel beispielsweise zweiteilig ausgebildet ist, wobei die beiden Teile dabei mit einer Wölbungsfläche aneinander zum Liegen kommen. Die Wölbung erlaubt, dass die beiden Teile relativ zu einander so zum Liegen kommen, dass ein sicherer Flächenkontakt erreicht wird.
Durch die Ausbildung von zumindest einer Verjüngung am Kontaktmittel, insbesondere zwischen einer Auflage des Kontaktmittels am Modulgehäuse und der eigentlichen Kontaktfläche, können auftretende Schiefstellungen durch die erhöhte Flexibilität an diesen Verjüngung noch besser ausgeglichen werden.
Zudem kann das Kontaktmittel aus weichgeglühtem Kupfer bestehen. Aufgrund seiner geringeren Härte kann es dann auch bei geringen Schiefstellungen nachgeben und sich an die Kontakt- f1äche anschmiegen.
Vorzugsweise ist das Vorspannmittel als Bügel ausgebildet, der insbesondere an der Stelle, an der er mit dem Kontaktmittel in Berührung kommt, eine Auswölbung aufweist. Durch die gekrümmte Oberfläche der Auswölbung wird vom Vorspannmittel eine punktuelle Kraft direkt auf das Kontaktmittel ausgeübt. Dadurch wird eine sichere Kontaktierung erreicht, und zudem auch ein Ausgleich von Schiefstellungen ermöglicht.
Weisen die Vorspannmittel Befestigungsmittel auf, mit denen der Bügel beispielsweise an einem Modulgehäuse befestigt wird, wird erst mit dem Anziehen der Befestigungsmittel von dem Vorspannmittel Druck auf das Kontaktmittel ausgeübt.
Alternativ können die Befestigungsmittel auch so vorgesehen sein, dass der Bügel direkt mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden wird, womit dann auf ein Modulgehäuse verzichten werden kann. Leistungshalbleiterelement, Kontaktmittel und Vorspannmittel bilden dann eine Einheit, die fertig montiert schon eine zuverlässige Druckkontaktierung und damit eine funktionsfähiges Halbleiterschaltmodul darstellt. Anstelle des Bügels kann das Vorspannmittel selbst auch Teil des Modulgehäuses des Halbleiterschaltmoduls sein. Durch den Wegfall der ansonst zusätzlichen Vorspannmittel kann das Halbleiterschaltmodul kostengünstiger hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind Kontaktmittel und Vorspannmittel einstückig als ein federndes Element ausgebildet. Das heißt, die Kontaktierung und die Druckbeaufschlagung erfolgen über ein einziges Bauelement. Damit wird wiederum ein kostengünstigeres Halbleiterschaltmodul erzielt.
Ist das Kontaktmittel zudem massiv ausgebildet, so kann es als Kurzzeitwärmespeicher dienen. Insbesondere bei Anwendungen, in denen kurzzeitig sehr hohe Verluste auftreten, kann damit die Temperatur des Leistungshalbleiterchips weiterhin in einem zulässigen Bereich gehalten werden. Im Gegensatz zur Lötseite des Leistungshalbleiterchips, bei der die Wärme erst durch die vergleichsweise schlecht wärmeleitende Keramik fließen muss, um zum Kühlkörper zu gelangen, ist das Kontakt- mittel mit nur minimalem thermischem Widerstand an die Oberseite des Leistungshalbleiterchips angeschlossen und kann damit sehr effektiv kurzzeitig hohe Verlustleistungen abpuf- fern. Die Hauptkühllast wird dabei aber weiterhin von dem Kühlkörper übernommen, der auf der Seite des Leistungshalb- leiterelements vorgesehen ist, die der Seite mit dem Leistungshalbleiterchip gegenüber liegt. Der Kühlkörper kann dann aber kleiner dimensioniert werden.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsbeispiele dersel- ben werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterschaltmo- duls, FIG 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform,
FIG 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausfüh- rungsform,
FIG 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform,
FIG 5 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf Teile der vierten Ausführungsform.
In FIG 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Aufbau eines Halbleiterschaltmoduls 1 dargestellt, so wie es beispielswei- se bei Sanftstartern Verwendung finden würde. Das erfindungsgemäße Halbleiterschaltmodul umfasst dabei ein Leistungshalbleiterelement 10, sowie Mittel 20 und 30 zum sicheren Anschließen des Lastanschlusses L an einen nicht näher dargestellten Laststromstromkreis. Im vorliegenden Beispiel weist das Halbleiterschaltmodul zudem noch ein Gehäuse 40 sowie einen Kühlkörper 50, zum Abführen der von einem Leistungshalbleiterchip 140 bewirkten Wärme, auf.
Grundlage für die vorliegende Erfindung ist das in Planar- Technologie aufgebaute Leistungshalbleiterelement 10, so wie es beispielsweise aus der WO 03/030247 bekannt ist. Das Leistungshalbleiterelement besteht dabei aus einem Keramikträger 110 mit zwei Kupferplattierungen 120 und 130. Auf der Kupferschicht 120 ist der Leistungshalbleiterchip 140 aufgelötet.
Mit einer Isolierfolie 150, die auch mit der Planar- Technologie aufgebracht wird, werden zumindest Teile der Oberfläche des Leistungshalbleiterchips 140 und der Kupfer- plattierung 120 abgedeckt. Am Ort des Lastanschlusses L des Leistungshalbleiterchips 140 weist diese elektrisch nicht leitende Schicht 150 ein Fenster auf, so dass der Lastan- schluss L freigelegt ist. Auf der Isolierfolie 150 und dem freigelegten Bereich des Leistungshalbleiterchips 140 wird wiederum mittels Planar- Technologie eine weitere elektrisch leitende Schicht 160 aufgebracht. Typische Schichtdicken dieser elektrisch leitenden Schicht 160, die vorzugsweise auch aus Kupfer besteht, betragen dabei 100 - 200 μm.
Zur Vergrößerung von Luft- und Kriechstrecken zwischen der elektrisch leitenden Schicht 160 und weiteren leitenden Schichten oder Bauelementen kann wiederum eine, nicht näher dargestellte, Isolierfolie mittels Planar-Technologie aufgebracht sein.
Durch solche elektrisch isolierenden Schichten, die gegebe- nenfalls bis zum Rand des Leistungshalbleiterelements geführt sind, lassen sich somit generell die Kriechstrecken zwischen den verschiedenen Schichten und/oder zwischen verschiedenen auf dem Leistungshalbleiterelement aufgebrachten elektrischen Bauelementen verringern. Durch diese horizontal und vertikal bewirkten Isolierungen lassen sich somit die Abmaße des Leistungshalbleiterelements verringern, was dann zu einem kompakteren Halbleitermodul führt.
Erfindungsgemäß sind nun Mittel 20 und 30 zum sicheren An- schließen des Lastanschlusses L an den vom Leistungshalbleiterchip 140 zu schaltenden LastStromkreis vorgesehen. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird nun über die Mittel 30 das elektrisch leitende Kontaktmittel 121 mit seiner Kontaktfläche A auf die elektrisch leitende Schicht 160, die sich di- rekt über dem Lastanschluss L befindet, aufgedrückt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt dies insbesondere mittels eines Bügels 130, der mit mehreren Befestigungsmitteln, hier zwei Schrauben 132, mit dem Modulgehäuse 40 verschraubt ist und der eine Auswölbung 131 aufweist.
Beim Zusammenbau des Halbleiterschaltmoduls kann es, beispielsweise aufgrund von Maßtoleranzen der einzelnen Bauele- menten, zu Schiefstellungen zwischen dem Leistungshalbleiterelement 10, den Mitteln 20 und 30, dem Modulgehäuse 40 und dem Kühlkörper 50 kommen. Dadurch wird sich die in aller Regel doch großflächige Kontaktfläche A unter Umständen nicht mehr ganzflächig auf die weitere elektrisch leitende Schicht 160 aufdrücken, was zu einem erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand und damit zu erhöhten thermischen Verlusten des Leistungshalbleiterchips 140 führt. Zur Vermeidung einer solchen Schiefstellung ist in dem in FIG 1 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel beim Kontaktmittel 121 eine Verjüngung 128 vorgesehen. Ebenso sind andere Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung von weichgeglühtem Kupfer als Material für das Kontaktmittel 121 möglich. Zudem ist der Bügel 130 mit einer Auswölbung 131 versehen, um ein punktuelles Aufdrücken und damit sicheres Kontaktieren des Kontaktmittels 121 mit der weiteren, elektrisch leitenden Schicht 150 zu gewährleisten.
Generell sind anstelle des Bügels auch weitere konstruktive Lösungen als Vorspannmittel zum Druckkontaktieren des Kon- taktmittels vorstellbar. So könnten anstelle des Bügels Gehäuseteile des Modulgehäuses entsprechend ausgebildet sein, die beim Zusammenbau das Kontaktmittel auf das Leistungshalbleiterelement aufdrücken und damit die Druckkontaktierung bewirken. Je nach Ausführungsform des Halbleiterschaltmoduls erfolgt somit die Druckkontaktierung auf unterschiedlichste Art und Weise.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in FIG 2 dargestellt. Hier ist das Kontaktmittel zweiteilig ausgebildet: Durch eine entsprechende Formgebung der Wölbungsfläche W der beiden Teileelemente 221 und 221' wird eine ausreichende Beweglichkeit zum Ausgleich eventueller Schiefstellungen zwischen Kontaktmittel 221 und dem Leistungshalbleiterelement 10 erreicht.
In FIG 3 sind verschiedene weitere erfindungsgemäße Kontaktmittel und Vorspannmittel dargestellt. So kann beispielsweise die Druckkontaktierung mittels eines Kontaktmittels 321 und den Vorspannmitteln 30, anstelle auf der Oberseite des Leistungshalbleiterchips 140, auch neben dem Leistungshalbleiterchip 140 erfolgen. Dazu wird die elektrische leitende Schicht 160 über den Leistungshalbleiterchip 140 hinaus weiterge- führt. Die Kontaktierung zwischen Kontaktmittel 321 und Last- anschluss L erfolgt auch hier über die weitere elektrisch leitende Schicht 160.
Mit dem Kontaktmittel 322 ist in FIG 3 eine weitere Ausfüh- rungsform dargestellt. Das hier mehr stabförmig ausgeführte Kontaktmittel 322 weist dabei einen entsprechenden Anschluss 327 zum Anschließen eines elektrischen Leiters 326 auf. Über diesen, durch das Modulgehäuse 40 geführten Leiter 326 kann das Kontaktmittel 322 dann von außen beschaltet werden. Auf der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite ist das Kontaktmittel 322 in einer Hohlkehle 334 geführt. Durch diese Hohlkehle 334 wird das Kontaktmittel verspannt und gleichzeitig können geringe Schiefstellungen ausgeglichen werden.
Mit dem Kontaktmittel 323 ist in FIG 3 noch eine weitere Ausführungsform dargestellt. In diesem Fall ist das Kontaktmittel 323 gleichzeitig Vorspannmittel. Das heißt, durch eine geeignete Formgebung und Einspannung im Modulgehäuse 40 drückt das Kontaktmittel 323 nach dem Zusammenbau unmittelbar auf eine weitere elektrisch leitende Schicht 160.
FIG 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kontaktmittels 421 des erfindungsgemäßen Halbleiterschaltmoduls 1. Wie in der in FIG 5 dargestellten Draufsicht auf ein Leistungshalb- leiterelement 10 angedeutet, ist der Steueranschluss S in aller Regel von dem Lastanschluss L umgeben. Dadurch ist ein, zum Schalten hoher Ströme, üblicherweise benötigter großflächiger Lastanschluss L erzielbar, während für den Steueranschluss S eine kleine Fläche ausreichend ist. Zur Kontaktie- rung wird nun, wie in FIG 5 dargestellt, mittels Planar-
Technologie nur auf den Steueranschluss S des Leistungshalbleiterchips 140 eine dünne, elektrisch leitende Schicht 170 aufgebracht. Typische Schichtdicken sind auch hier 100 bis 200μm. Es wird somit keine planare elektrisch leitende Schicht für die Verbindung des Steueranschlusses S über die restliche Oberfläche des Leistungshalbleiterchips 140 ge- führt. Die Kontaktierung des Steueranschlusses S erfolgt direkt zum Beispiel mit dem in FIG. 4 dargestellten Steuerkontakt 425, der beispielsweise ein Federkontakt oder eine Bondverbindung sein kann. Erfindungsgemäß muss dazu aber das Kontaktmittel 421 als Hohlkörper ausgebildet sein. So kann die Kontaktfläche A des Hohlkörpers 421 fast vollständig für die Stromzuführung genutzt werden. Die thermischen Verluste durch die Stromzuführung werden minimiert.
Bei all den oben beschriebenen Kontaktierungsarten, seien es die erfindungsgemäßen Druckkontaktierungen der Lastanschlüsse oder auch federnde Anschlüsse der Steueranschlüsse, wirken die durch die Planar-Technologie aufgebrachten weiteren elektrisch leitenden Schichten 160 als Schutzschicht für den Last- und den Steueranschluss. Dadurch können insbesondere die mechanischen Belastungen auf die Anschlüsse reduziert werden. Durch die nahezu senkrechte Kontaktierung lassen sich die größtmöglichen Luft - und Kriechstrecken erreichen. Dies wirkt sich insbesondere in Verbindung mit dem Aufbringen einer Isolierfolie zur Vergrößerung der Luft- und Kriechstre- cken vorteilhaft aus.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschaltmodul (1)
- mit einem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungs- halbleiterelement (10) , das eine Basisschicht (110) , eine
Kupferschicht (120) , zumindest einen auf der KupferSchicht (120) angebrachten Leistungshalbleiterchip (140) sowie eine weitere elektrisch leitende, und zumindest einen Last- anschluss (L) des Leistungshalbleiterchips (140) überde- ckende, Schicht (160) umfasst,
- mit Mitteln (20,30) zum sicheren Anschließen des Lastanschlusses (L) an einen zu schaltenden Laststromkreis,
- wobei die Mittel (20,30) so ausgebildet sind, dass sie mit einer Kontaktfläche (A) flächig auf die elektrisch leitende Schicht (160) aufdrücken.
2. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die weitere elektrisch leitende Schicht (160) eine Kupfer- Schicht ist.
3. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Kontaktfläche (A) eine Flächenform ausweist, die mit einer Flächenform des Lastanschlusses (L) korrespondiert.
4. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die weitere elektrisch leitende Schicht (160) so über die Oberfläche des Leistungshalbleiterchips (140) hinaus ausgedehnt ist, dass mit der Kontaktfläche (A) ein flächiger Kontakt neben dem Leistungshalbleiterchip (140) herstellbar ist, wobei zwischen der weiteren elektrisch leitenden Schicht (160) und der Oberfläche der Kupferschicht (120) und des Leistungshalbleiterchips (140) eine elektrisch i- solierende Schicht (150) angeordnet ist, die an der Stelle, an der sich der Lastanschluss (L) des Leistungshalb- leiterchips (140) befindet, ein Fenster (F) aufweist, um eine Kontaktierung zwischen der weiteren elektrisch leitenden Schicht (160) und dem Lastanschluss (L) herzustellen.
5. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Mittel zumindest ein Kontaktmittel (20) und Vorspann- mittel (30) umfassen, wobei die Vorspannmittel (30) das zumindest eine Kontaktmittel (20) mit der Kontaktfläche (A) flächig auf die weitere elektrisch leitende Schicht (160) aufdrückt.
6. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel (421) als Hohlkörper zum Aufnehmen einer Steuerelektrode (425) ausgebildet ist.
7. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel (221, 221') zweiteilig ausgebildet ist, wobei die beiden Teile (221, 221') mit einer Wölbungsfläche (W) aneinander zum Liegen kommen.
8. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel (121, 221 ', 321, 421) zumindest eine Ver- jüngung (128,228,328,428) aufweist.
9. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel (121,221,321,322,421) aus weichgeglühtem
Kupfer ist.
10. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Vorspannmittel einen Bügel (130,230,330,430), mit zu- mindest einer Auswölbung (131,231,331,334,435), und Befestigungsmittel (132,232,332,432) umfasst.
11. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Vorspannmittel Teil eines Gehäuses des Halbleiterschaltmoduls ist.
12. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel und das Vorspannmittel einstückig als federndes Kontaktmittel (323) ausgebildet ist.
13. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der vorherigen An- sprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s an das Kontaktmittel ein Kabel anschließbar ist.
14. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der vorherigen An- sprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Kontaktmittel so ausgebildet ist, das es als Wärmespeicher dient.
15. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s auf der, der Seite mit dem Leistungshalbleiterchip (140) gegenüberliegenden Seite des Leistungshalbleiterelements (110) eine weitere Kupferschicht (130) vorgesehen ist, die mit einem Kühlkörper (50) verbunden ist.
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