DE19700963A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einer aktive Halbleiterbauelemente und passive Halbleiterbauelemente aufweisenden Schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einer aktive Halbleiterbauelemente und passive Halbleiterbauelemente aufweisenden Schaltungsanordnung

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Description

Leistungsmodule werden in vielen Anwendungsbereichen für unterschiedli­ che Aufgaben eingesetzt, beispielsweise zur Drehzahl- und Leistungsrege­ lung von Elektromotoren. Bestandteil derartiger Leistungsmodule ist eine als Leistungseinheit fungierende Schaltungsanordnung, die in der Regel so­ wohl aktive Halbleiterbauelemente wie Leistungshalbleiterbauelemente als auch passive Bauelemente wie Widerstände (bsp. Shunts zur Strommessung) und ggf. Kondensatoren aufweist. Die Leistungshalbleiterbauelemente ar­ beiten im Schaltbetrieb, weshalb hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten auftreten; aufgrund dieser hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten ist zur Vermeidung von Überspannungen ein induktionsarmer Aufbau der Schaltungsanordnung erforderlich.
Als Trägerkörper für die aktiven Halbleiterbauelemente (insbesondere die Leistungshalbleiterbauelemente) der Schaltungsanordnung wird daher und aus Gründen der ausreichenden Wärmeabfuhr ihrer Verlustleistung üblicher­ weise ein sogenanntes DCB-Substrat ("direct copper bonding") verwendet, das aus einer von zwei Kupferschichten umgebenen (bsp. aus Aluminium­ oxid Al2O3 bestehenden) Keramikschicht zusammengesetzt ist; die aktiven Halbleiterbauelemente (Leistungshalbleiterbauelemente) werden hierbei auf die obere Kupferschicht des DCB-Substrats aufgelötet und mittels Bonddräh­ ten kontaktiert. Die obere Kupferschicht des DCB-Substrats wird strukturiert (unterbrochen), wodurch Leiterbahnen zur Verbindung der Leistungshalblei­ terbauelemente gebildet werden.
Das DCB-Substrat wird zur mechanischen Stabilisierung und zur Wärmeab­ fuhr auf eine als Schaltungsträger dienende Metallplatte aufgebracht, übli­ cherweise aufgelötet; diese Metallplatte gibt die Verlustwärme an ein Kühl­ system weiter.
Die passiven Bauelemente (insbesondere die Widerstände) der Schaltungsan­ ordnung werden vorteilhafterweise meist in Dickschichttechnik realisiert (d. h. auf einen Keramikträger gedruckt); dieser Keramikträger wird in einem separaten Fertigungsschritt auf den Schaltungsträger benachbart zum DCB-Substrat aufgeklebt (beispielsweise mittels eines Wärmeleitklebers).
Nachteilig hierbei ist, daß
  • - für das Löten der DCB-Substrate und für das Aufkleben der Keramikträger auf den Schaltungsträger getrennte Prozeßschritte und Technologien er­ forderlich sind, was Zeitaufwand und Kosten verursacht,
  • - die Verbindung (Kontaktierung) zwischen den auf den Keramikträgern aufgebrachten passiven Bauelementen und den auf den DCB-Substraten aufgebrachten aktiven Halbleiterbauelementen der Schaltungsanordnung durch deren räumliche Trennung problematisch ist; es werden lange Ver­ bindungsleitungen und Kontaktfahnen benötigt, die sich als parasitäre In­ duktivitäten negativ auf die Eigenschaften der Schaltungsanordnung bzw. des Leistungsmoduls auswirken (Generierung von Überspannungen, EMV-Problematik).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes Leistungsmoduls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einfachem Aufbau und Herstellverfahren anzugeben, bei dem diese Nachtei­ le vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.
Beim vorgestellten Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls wird zumindest ein Teil der passiven Bauelemente mittels Dickschichttechnik rea­ lisiert (d. h. durch Aufbringen einer ersten Druckschicht als das eigentliche Bauelement und mindestens einer weiteren, sich lateral an die erste Druck­ schicht anschließenden, als Kontaktfläche fungierenden Druckschicht auf ei­ nen Keramikträger); der derart bedruckte Keramikträger (die Dickschicht­ schaltung) wird mit der Druckseite auf die durch Ausbildung von Leiterbah­ nen und Anschlußflächen geeignet strukturierte Oberseite des DCB-Substrats (die obere Kupferschicht) aufgelegt und mit dem DCB-Substrat dadurch ver­ bunden, daß die Kontaktfläche/n auf die korrespondierenden Anschlußflä­ chen des DCB-Substrats aufgelötet werden; eine Verbindung (Kontaktierung) mit den anderen auf dem DCB-Substrat angeordneten Halbleiter­ bauelementen kann auf geeignete Weise entweder direkt über Leiterbah­ nen oder über Bonddrähte erfolgen. Das DCB-Substrat wird auf geeignete Weise mit dem Schaltungsträger der Schaltungsanordnung verbunden, bsp. auf diesen Schaltungsträger (bsp. eine Metallplatte) aufgelötet. Die Verlust­ leistung der auf dem Keramikträger angeordneten passiven Bauelemente (insbesondere der Widerstände) wird hierdurch über den Keramikträger und das DCB-Substrat an den Schaltungsträger abgeführt. Die Keramikträger mit den passiven Bauelementen (den Widerständen) können gleichzeitig mit dem Löten der aktiven Halbleiterbauelemente auf das DCB-Substrat und/oder gleichzeitig mit dem Löten des DCB-Substrats auf den Schaltungsträger gelötet werden, so daß hierfür kein eigener Prozeßschritt erforderlich ist; d. h. das Löten der Dickschichtschaltung (passive Bauelemente auf Keramik­ träger) kann gleichzeitig mit dem Löten der aktiven Halbleiterbauelemente auf das DCB-Substrat oder gleichzeitig mit dem Löten des DCB-Substrats auf den Schaltungsträger oder gleichzeitig mit dem Löten der aktiven Halblei­ terbauelemente auf das DCB-Substrat und des DCB-Substrats auf den Schal­ tungsträger durchgeführt werden.
Auf den Keramikträger können neben den in Dickschichttechnik realisierten Bauelementen weitere Bauelemente (bsp. SMD-Bauelemente) aufgebracht und mittels Kontaktflächen mit der übrigen Schaltungsanordnung verbun­ den werden.
Die Vorteile des genannten Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmo­ duls bestehen darin, daß
  • - Herstellungsaufwand und damit Kosten des Leistungsmoduls durch den gleichzeitig erfolgenden, für die passiven Bauelemente (die Widerstände) und die aktiven Halbleiterbauelemente erforderlichen Lötvorgang redu­ ziert werden,
  • - aufgrund der geringen Anzahl an Verbindungsleitungen der Schaltungs­ anordnung und der Reduzierung der Leitungslänge der ggf. noch vorhan­ denen Verbindungsleitungen ein einfacher und kompakter Aufbau gege­ ben ist,
  • - durch die geringen Leitungslängen der Verbindungsleitungen und der Re­ duzierung der parasitären Induktivitäten Überspannungen und damit Be­ einträchtigungen der Funktionsweise des Leistungsmoduls vermieden werden.
Im folgenden ist das Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls an­ hand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung be­ schrieben; in der Figur ist eine schematische Ansicht des Aufbaus des Lei­ stungsmoduls in einer Schnittzeichnung dargestellt.
Die bsp. auf einem Schaltungsträger 2 mit den Maßen 99 mm × 57 mm × 3 mm angeordnete Schaltungsanordnung 1 des Leistungsmoduls umfaßt bsp. mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 11 (Leistungstransistoren und Lei­ stungsdioden) und mehrere Widerstände 10 als Shunts zur Messung der Transistorströme.
Als Trägerkörper für die als Halbleiterelemente ausgebildeten Leistungs­ halbleiterbauelemente 11 und für die in Dickschichttechnik realisierten Wi­ derstände 10 ist ein DCB-Substrat 3 vorgesehen, das sich aus der ersten (zur Bildung von Leiterbahnen und Anschlußflächen strukturierten) Kupfer­ schicht 32, der als Oxidschicht ausgebildeten Keramikschicht 31 und der zweiten (unstrukturierten) Kupferschicht 33 zusammensetzt. Die Leistungs­ halbleiterbauelemente 11, bsp. die als Halbleiterelement (Halbleiter-Chip) ausgebildeten Leistungstransistoren und Leistungsdioden, werden auf die Anschlußflächen der ersten Kupferschicht 32 (d. h. auf die Oberseite des DCB-Substrats 3) mittels des Lots 15 aufgelötet und durch diesen Lötprozeß mit dem DCB-Substrat 3 (der ersten Kupferschicht 32) mechanisch (insbesondere zur Wärmeabfuhr ihrer Verlustleistung) und elektrisch über Bonddrähte 12 verbunden. Die Widerstände 10 aus der Widerstandsbahn 13, den beiden la­ teral sich an die Widerstandsbahn 13 anschließenden Kontaktflächen 14 (Me­ tallisierungen) und einer nicht dargestellten Schutzschicht (Passivierung) werden auf einen Keramikträger 21 gedruckt; dieser Keramikträger 21 wird unter Verwendung der Kontaktflächen 14 auf die hierfür auf der Oberseite des DCB-Substrats 3 (der ersten Kupferschicht 32) vorgesehenen Anschlußflä­ chen aufgelötet (mittels des Lots 15). Beispielsweise wird dieser Lötvorgang gleichzeitig mit dem Löten der Leistungshalbleiterbauelemente 11 auf das DCB-Substrat 3 durchgeführt und anschließend das DCB-Substrat 3 mit den aufgebrachten aktiven Halbleiterbauelementen 11 und passiven Bauelemen­ ten 10 auf den bsp. als metallische Kupferplatte ausgebildeten Schaltungs­ träger 2 aufgelötet.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einer aktive Halblei­ terbauelemente (11) und passive Bauelemente (10) aufweisenden Schal­ tungsanordnung (1) und mit einem Schaltungsträger (2), wobei zumindest ein Teil der aktiven Halbleiterbauelemente (11) auf ein DCB-Substrat (3) auf­ gelötet und zumindest ein Teil der passiven Bauelemente (10) in Dickschicht­ technik auf mindestens einen Keramikträger (21) gedruckt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • - die Oberseite (32) des DCB-Substrats (3) zur Bildung von Leiterbahnen und Anschlußflächen zur Aufnahme der aktiven Halbleiterbauelemen­ te (11) und der passiven Bauelemente (10) der Schaltungsanordnung (1) strukturiert wird,
  • - auf den/die Keramikträger (21) für jedes vorgesehene passive Bauele­ ment (10) in Dickschichttechnik eine erste, die Eigenschaften des pas­ siven Bauelements (10) bestimmende Druckschicht (13) und minde­ stens eine Kontaktfläche (14) als weitere, sich lateral an die erste Druckschicht (13) anschließende Druckschicht gedruckt wird, und
  • - der/die Keramikträger (21) über die mindestens eine Kontaktfläche (14) mit der/den korrespondierenden Anschlußfläche/n des DCB-Sub­ strats (3) mittels Löten verbunden wird/werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten der Keramikträger (21) gleichzeitig mit dem Löten der aktiven Halbleiterbauele­ mente (11) auf das DCB-Substrat (3) und/oder gleichzeitig mit dem Löten des DCB-Substrats (3) auf den Schaltungsträger (2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Keramikträger (21) weitere Bauelemente aufgebracht werden.
DE19700963A 1997-01-14 1997-01-14 Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit einer aktive Halbleiterbauelemente und passive Halbleiterbauelemente aufweisenden Schaltungsanordnung Expired - Fee Related DE19700963C2 (de)

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