Leistungshalbleiterschaltung und Verfahren zum Herstellen ei¬ ner Leistungshalbleiterschaltung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter¬ technik und betrifft eine Leistungshalbleiterschaltung, ins¬ besondere für eine UmrichterSchaltung, und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bei einer aus der EP 0 901 166 Al bekannten Leistungshalblei¬ terschaltung ist ein Leistungshalbleitermodul in klassischer Technik aufgebaut, indem ein oder mehrere einzelne Leistungs¬ halbleiterelemente, z.B. IGBTs, (nachfolgend auch Leistungs- halbleiter genannt) über eine Lotschicht und eine Metallisie¬ rung mit der Oberseite eines Aluminiumnitrid-Substrats ver¬ bunden sind. Die Unterseite des Substrats ist mit einer Kühl¬ einrichtung in Form eines Rippen-Kühlkörpers vergossen.

Ein neuer Trend der Modulgestaltung geht unter Verwendung von Laminierverfahren, wie sie beispielsweise in dem Aufsatz „A High Performance Polymer Thin Film Power Electronics Packa- ging Technologie" von Ray Fillion et al. in Advancing Microe- lectronics September/October 2003 beschrieben sind, in Rich- tung flacher Modulgeometrien.

So kann beispielsweise zur Herstellung eines derartigen Mo¬ duls ein Substrat mit einem eine Kontaktfläche aufweisenden Bauelement bereitgestellt werden. Dabei wird eine induktions- arme Kontaktierung realisiert, indem die Kontaktfläche mit einer Anschlussfläche zusammengebracht wird, die auf einer relativ dünnen Folie ausgebildet ist. Das Zusammenbringen von Kontaktfläche und Anschlussfläche erfolgt durch Auflaminieren der Folie unter isostatischem Druck in einer Vakuumpresse.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleiterschaltung anzugeben, die sich durch eine automatisierbare Herstellung und eine besonders raumsparende Bauform auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiterschaltung ge- maß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 10 gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine Leistungshalbleiterschaltung mit ei¬ nem Leistungshalbleitermodul vorgesehen, das als flache Bau- gruppe ausgebildet ist, indem mindestens ein elektronisches Leistungs-Bauelement auf einem Substrat angeordnet und mit einer oberseitigen Kontaktfläche mit einer Anschlussfläche einer auflaminierten Folie kontaktiert ist, wobei das Sub¬ strat unmittelbar an einer als Kühlelement fungierenden wär- meleitenden Grundplatte befestigt ist. Als Befestigungsver¬ fahren und -mittel kommen dabei Kleben, Crimpen, Einrasten mittels Rasthaken, Schrauben mittels Gewindeelementen etc. in Frage.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, die flache Bauform des vorbeschriebenen neuartigen Leistungshalb¬ leitermoduls zur Realisierung einer besonders flach ausgebil¬ deten Leistungshalbleiterschaltung zu nutzen. Damit wird eine Technik bereitgestellt, die in Abkehr von dem bisher üblichen Aufbau und der üblichen Häusung von Leistungshalbleitermodu¬ len eine besonders flache und kompakte Gestaltung erlaubt . Die Leistungshalbleitermodule bzw. die Leistungshalbleiter¬ schaltung müssen nicht mehr in Gehäusen untergebracht oder vergossen werden, da der erfindungsgemäße Aufbau eine Gestal¬ tung mit passivierten Elementen ermöglicht.

Außerdem erlaubt die Erfindung, die einzelnen Komponenten der Leistungshalbleiterschaltung vollautomatisiert zu platzieren und zu montieren. Bevorzugt können dabei die Komponenten ge- gurtet zugeführt werden und die elektrischen Verbindungen un¬ tereinander durch Bonden und/oder Laserschweißen hergestellt werden. Die Grundplatte besteht bevorzugt aus einem Metall, z.B. Aluminium.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat ein Keramiksubstrat ist und mit seiner kerami¬ schen Unterseite auf die Grundplatte geklebt ist . Dazu kann das Substrat und/oder dessen auf der Grundplatte vorgesehener Platzierungsbereich vorab mit Klebstoff bedruckt sein. Gegen¬ über konventioneller Montagetechnik muss das Substrat also unterseitig nicht vorbehandelt (z.B. metallisiert) sein.

Die Grundplatte kann als Luftkühlkörper oder als flüssig- keitsgekühlte Kühleinrichtung ausgestaltet sein. Damit ist nicht nur eine homogenisierte Wärmeverteilung, sondern auch eine effektive Wärmeabfuhr durch die Grundplatte gewährleis¬ tet.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf der Oberseite des Substrats eine hochstromlei- tende Metallisierung aufgebracht ist. Deren Schichtdicke ist je nach Anwendungsfall (Stromleitungsbedarf) gewählt und kann z.B. als Kupfer- oder Aluminiumschicht beispielsweise zwi¬ schen 50μm und 4 mm liegen. Hinsichtlich des Verlustwärmemanagements ist es vorteilhaft, wenn bei einer Vielzahl von wärmeerzeugenden Bauteilen mehre¬ re Leistungshalbleitermodule mit jeweils Verlustwärme entwi¬ ckelnden Leistungshalbleitern auf der Oberseite der Grund- platte verteilt angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungshalbleiterschaltung, bei dem

auf ein Substrat mindestens ein elektronisches Leistungs- Bauelement mit einer oberseitigen Kontaktfläche aufgebracht wird,

eine Folie mit einer Anschlussfläche zur Kontaktierung der Kontaktfläche auflaminiert wird,

eine wärmeleitende Grundplatte mit dem Substrat bestückt wird, indem das Substrat mit seiner Unterseite unmittelbar mit der Grundplatte durch wärmeleitende Klebung verbunden wird, und

weitere Schaltungen in Flachbauform und/oder Bauteile mit bondbaren Anschlüssen auf der Grundplatte aufgeklebt und mit auf der Folie ausgebildeten Anschlussflächen verbunden wer- den.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit, dass alle Verfahrensschritte vollautomati¬ siert durchgeführt werden können. Das oder die Leistungshalb- leitermodul (e) hat/haben dazu z.B. bondbare Anschlussflächen, mit denen sie untereinander und mit weiteren Flachbaugruppen, wie z.B. einer Steuerschaltung, verbunden werden können. Die Steuerschaltung kann bevorzugt auf einer Keramik z.B. als Dickschichthybrid aufgebaut und auf der Grundplatte ebenfalls aufgeklebt sein. Zusätzlich können, z.B. bei einer Umrichter- schaltung, auch diskrete Bauteile, wie z.B. Speicherkondensa¬ toren, mit bondbaren Anschlussflächen versehen und auf der Grundplatte angeordnet sein. Diese und weitere Komponenten - wie. z.B. Anschlussklemmen oder Anschlussstecker zum externen elektrischen Anschluss - können bevorzugt in Trays, Gurten oder Schienen automatisch dem Montageprozess zugeführt und sämtlich durch Klebung mit der Grundplatte verbunden werden. Dadurch kann auf aufwendige Verbindungstechniken, wie z.B. Schraubverbindungen, verzichtet werden. Jedoch sind außer Klebeverbindungen jedoch auch Kleben, Crimpen, Einrasten mit¬ tels Rasthaken, Schrauben mittels Gewindeelementen etc. zum mittelbaren oder unmittelbarem, abstandslosem oder von der Grundplatte beabstandetem Befestigen von Platinen und/oder Baugruppen und/oder Anschlusselemente und/oder passive Bau¬ elemente und/oder Kontaktierungselemente etc. in Frage.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu¬ tert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung in perspektivischer Ansicht und

Figur 2 die Leistungshalbleiterschaltung aus Figur 1 in Seitenansicht.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Leistungshalbleiterschaltung, die auf einer Aluminium-Grundplatte 1 aufgebaut ist. Dabei sind mehrere Leistungshalbleitermodule z.B. 2, 3 auf der fla¬ chen Oberseite 4 der Grundplatte angeordnet. Die Grundplatte ist als Kühleinrichtung 5 ausgebildet, die als Luftkühler Kühlrippen 6 aufweist. Die Grundplatte hat damit eine Doppel- funktion; sie ist Träger der Leistungshalbleiterschaltung und sorgt zugleich für eine sehr effektive Abfuhr der beim Be¬ trieb entstehenden Verlustwärme.

Beispielhaft sei anhand des Moduls 2 dessen grundsätzlicher Aufbau beschrieben: Auf der Oberseite 10 eines Substrats 11, das aus Keramik besteht, ist ein elektronisches Leistungs- Bauelement, z.B. ein IGBT, aufgelötet. Dazu ist auf dem Sub- strat eine hochstromleitende, strukturierte Metallisierung aufgebracht.

Über dem Bauelement ist eine Folie 12 der eingangs beschrie¬ benen Art mit Leiterbahnen und Anschlussflächen auflaminiert, die elektrische Verbindungen realisiert. Diese Verbindungen können auch einen elektrischen Kontakt zwischen einer auf der Oberseite des Bauelements vorgesehenen Anschlusskontaktfläche (Päd) und einer korrespondierenden Anschlussfläche auf der Folie umfassen, wie im einzelnen eingangs erläutert und in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 103 14 172.3 beschrieben. Die Folie 12 weist oberseitige An¬ schlussflächen 13, 14 auf, die über Bonddrähte (z.B. 15) mit korrespondierenden Anschlussflächen (z.B. 16) elektrisch ver¬ bunden sind. Dieses Modul zeichnet sich durch eine sehr fla- che und kompakte Bauform aus.

Das Substrat 11 ist seinerseits mittels gut wärmeleitendem Klebstoff 20 (z.B. Silikon) unmittelbar auf die Oberseite 4 der Grundplatte aufgeklebt. Insbesondere ist keine untersei- tige Metallisierung des Substrats vorgesehen, so dass der Klebstoff bzw. die Klebung 20 die Werkstoffpaarung Keramik/ Aluminium verbindet. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu erreichen, sind die Leistungshalbleitermodule 2, 3 auf der Oberseite 4 verteilt angeordnet.

Über dem Modul 2 ist auf Pfosten 24 eine Platine 25 angeord¬ net, die eine Steuerschaltung 26 trägt und über Bonddrähte (z.B. 15, 29) mit dem Modul 2 und weiteren Komponenten ver¬ bunden ist. Eine beispielhaft dargestellte weitere Komponente ist ein Zwischenspeicher-Kondensator 30.

Um die Leistungshalbleiterschaltung mit externen Komponenten und/oder Steuerungen und/oder zu schaltenden Elementen zu verbinden, sind an beiden Stirnseiten der Grundplatte An¬ schlussleisten 32, 33 vorgesehen, die zur externen Verbindung außenseitig z.B. Schraub- oder Steckverbindungen aufweisen. Auch diese Anschlussleisten sind in Oberflächenmontagetechnik montierbar, weisen bondbare Anschlussflächen auf und sind durch Klebungen 34, 35 (Figur 2) mit der Grundplatte verbun¬ den.

Zum Herstellen der Leistungshalbleiterschaltung wird wie vor¬ stehend beschrieben zunächst auf das Substrat 11 mindestens ein elektronisches Leistungs-Bauelement mit einer oberseiti¬ gen Kontaktfläche aufgebracht und die Folie 12 mit einer An- Schlussfläche zur Kontaktierung der Kontaktfläche auflami¬ niert . Diese Einheit wird dann mit der Oberseite 4 der Grund¬ platte 1 verbunden, indem das Substrat mit seiner Unterseite unmittelbar mit der Grundplatte mittels wärmeleitendem Kleber verklebt wird. Außerdem werden weitere Komponenten und/oder Schaltungen in Flachbauform mit bondbaren Anschlüssen auf die Grundplatte aufgeklebt. Auf dem Modul ausgebildete Anschluss¬ flächen werden dann gemäß der zu realisierenden Schaltung mit den weiteren Komponenten z.B. durch Kupferdraht-Bonden ver¬ bunden.

Damit ist eine insgesamt sehr kompakte Leistungshalbleiter- schaltung, z.B. einer Umrichterschaltung, realisiert, die in ein relativ kleines (nicht dargestelltes) Gehäuse eingesetzt werden kann. Dort kann bedarfsweise eine Vergussmasse einge¬ bracht werden. Aufgrund einer relativ leicht zu realisieren¬ den Passivierung der Module kann unter elektrischen Aspekten auf einen Verguss aber auch verzichtet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung werden die sich durch den flachen Aufbau eines Schichtartig aufge¬ bauten Leistungshalbleitermoduls ergebenden Raumsparmöglich- keiten optimal ausgeschöpft. Ein wesentlicher Vorteil ist da¬ bei schließlich noch, dass diese Leistungshalbleiterschaltung bei der internen Verbindung und Montage ohne interne Ver- schraubungen und Wärmeleitpasten auskommen kann. Bezugszeichenliste :

1 Grundplatte 2 Leistungshalbleitermodul 3 Leistungshalbleitermodul 4 Oberseite 5 Kühleinrichtung 6 Kühlrippen 10 Oberseite 11 Substrat 12 Folie 13 Anschlussfläche 14 Anschlussfläche 15 Bonddraht 16 Anschlussfläche 20 Klebung 24 Pfosten 25 Platine 26 SteuerSchaltung 29 Bonddraht 30 Zwischenspeieher-Kondensator 32 Anschlussleiste 33 Anschlussleiste 34 Klebung 35 Klebung