Schaltungsanordnung mit einem Schaltungsträger und einem Halbleiterbauelement

Die Erfindung betri f ft eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltungsträger und einem Halbleiterbauelement .

Im Bereich der Leistungselektronik liegen Halbleiterbauelemente , beispielsweise Schaltelemente , in der Regel in Form von Leistungsmodulen, auch als Powermodule bezeichnet , oder in Form von diskreten Packages vor . Die Halbleiterbauelemente werden dabei meist mittels spezi fischer Drahtbondtechnologien kontaktiert und die Leistungsmodule werden zum Beispiel mittels Löt- , Feder- oder Pressverbindungen an einem Schaltungsträger befestigt . Durch die Verwendung von Bonddrähten wird die maximal zulässige Stromdichte durch die Halbleiterbauelemente limitiert . Außerdem kommt es zu parasitären Induktivitäten, welche eine erzielbare Schaltgeschwindigkeit der Schaltelemente begrenzt .

WO 2020/249479 Al of fenbart einen elektronischen Schaltkreis , der unter anderem einen ersten Schaltungsträger , einen zweiten Schaltungsträger und ein leistungselektronisches Halbleiterbauelement aufweist . Das Halbleiterbauelement weist eine Oberseite auf , die an einer Unterseite des ersten Schaltungsträgers anliegt , sowie eine Unterseite , die an einer Oberseite des zweiten Schaltungsträgers anliegt . Der erste Schaltungsträger weist eine Durchkontaktierung auf , welche die Oberseite des ersten Halbleiterbauelements elektrisch mit einer Leiterbahn des ersten Schaltungsträgers verbindet . Der zweite Schaltungsträger weist beispielsweise eine seine Oberseite bildende elektrisch leitfähige Schicht und eine , auf einer dem ersten Schaltungsträger abgewandten Seite der elektrisch leitfähigen Schicht angeordnete , elektrisch isolierende Schicht auf . Bei einer derartigen Anordnung von Schaltungsträgern und Halbleiterbauelement besteht das Problem, dass die beiden Schaltungsträger sehr unterschiedliche Ausdehnungskoef fi zienten aufweisen können . Dies führt nach einer stof f schlüssigen Verbindung, beispielsweise durch Löten oder Sintern, dieser zwei Schaltungsträger nach deren Abkühlung zu einer starken Verwölbung des Verbundes . Infolgedessen kann der zweite Schaltungsträger nicht voll flächig an einen Kühlkörper angedrückt werden, wodurch die Wärmeableitung von dem Schaltkreis beeinträchtigt wird . Die unterschiedlichen Ausdehnungskoef fi zienten der Schaltungsträger können außerdem zu Rissbildungen in den Schichten des zweiten Schaltungsträ- gers führen, die zu Zuverlässigkeitsproblemen bis hin zum Aus fall des gesamten Schaltkreises führen können .

JP 2001 156225 A of fenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem Paar wärmeabstrahlender Elemente . Zwischen den wärmeabstrahlenden Elementen sind Halbleiterchips angeordnet . Die wärmeabstrahlenden Elemente bestehen aus einem metallischen Material , dessen elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit größer als die von Wol fram oder Molybdän ist .

US 2020/ 343155 Al of fenbart ein Leistungsumwandlungsgerät mit zwei Wärmeableitern, einer Leiterplatte mit einem darauf ausgebildeten Schaltungsmuster und ein Schaltelement mit einem Elektrodenabschnitt , der elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden ist . Zwischen einem ersten Wärmeableiter und der Leiterplatte ist ein erstes I solierelement angeordnet . Zwischen dem zweiten Wärmeableiter und dem Schaltelement ist ein zweites I solierelement angeordnet .

DE 10 2014 205 958 Al of fenbart eine Halbleiterschaltelementanordnung für den Einsatz in einem Fahrzeug mit einer Leiterplatte und einem an der Leiterplatte angebrachten Halbleiterschaltelement , welches von einer an der Leiterplatte angebrachten metallischen Abdeckung abgedeckt ist . Die metallische Abdeckung steht in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühleinrichtung oder ist in solchen Kontakt bringbar .

EP 3 440 906 Al of fenbart ein elektronisches Modul mit einer Leiterplatte , mindestens einer integrierten Schaltung, die auf der Leiterplatte montiert ist , und mindestens einer an der Leiterplatte montierten Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenz . Die mindestens eine integrierte Schaltung ist innerhalb eines Umfangs montiert , der durch die Abschirmung definiert ist .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine verbesserte Schaltungsanordnung anzugeben, die diese Probleme überwindet .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst

- einen Schaltungsträger ,

- ein Leadframe ,

- ein zwischen dem Schaltungsträger und dem Leadframe angeordnetes Halbleiterbauelement ,

- einen auf einer von dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite des Leadframes angeordneten Kühlkörper,

- ein zwischen dem Leadframe und dem Kühlkörper angeordnetes elektrisch isolierendes I solationselement und

- eine Andrückeinrichtung, die eingerichtet ist , den Schaltungsträger, das Halbleiterbauelement , das Leadframe , das Isolationselement und den Kühlkörper aneinander zu drücken .

Gegenüber beispielsweise der aus WO 2020/249479 Al bekannten Schaltungsanordnung weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung statt zweier Schaltungsträger , zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet ist , einen Schaltungsträger und ein Leadframe auf , zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet ist . Außerdem weist die Schaltungsanordnung ein I solationselement auf , das zwischen dem Leadframe und dem Kühlkörper angeordnet ist . Das Leadframe und das I solationselement übernehmen dabei die Funktionen des zweiten Schaltungsträgers der aus WO 2020/249479 Al bekannten Schaltungs- anordnung, nämlich die elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements auf der dem Leadframe zugewandten Seite des Halbleiterbauelements und die Wärmeleitung von dem Halbleiterbauelement zu dem Kühlkörper .

Durch die Entkopplung des Leadframes von dem I solationselement kann das Problem des Verwölbens der Schaltungsanordnung gelöst werden, nämlich dadurch, dass das Leadframe aus einem Material gefertigt wird, das einen dem Schaltungsträger ähnlichen Ausdehnungskoef fi zienten aufweist , und das I solationselement und das Leadframe nicht stof f schlüssig verbunden sind . Dadurch wird auch die Gefahr einer Rissbildung in dem Leadframe gegenüber einer Rissbildung in einer elektrisch leitenden Schicht eines zweiten Schaltungsträgers deutlich reduziert und eine potentiell höhere Lebensdauer der Schaltungsanordnung ermöglicht .

Die Andrückeinrichtung ermöglicht temperaturunabhängig große Kontakt flächen und damit einen guten Wärmeübergang zwischen dem Kühlkörper, dem I solationselement und dem Leadframe und damit eine verbesserte Entwärmung des Halbleiterbauelements .

Das Ersetzen des zweiten Schaltungsträgers der WO 2020/249479 Al durch eine Kombination des Leadframes und des I solationselements senkt außerdem vorteilhaft die Kosten der Schaltungsanordnung, da kein teurer zweiter Schaltungsträger benötigt wird . Zudem kann eine Dicke des Leadframes deutlich höher gestaltet werden als die Dicke einer elektrisch leitenden Schicht des zweiten Schaltungsträgers der WO 2020/249479 Al , was zu einer verbesserten Wärmesprei zung an dem Halbleiterbauelement führt .

Die Formulierung, dass die Schaltungsanordnung ein Halbleiterbauelement aufweist , schließt nicht aus , dass die Schaltungsanordnung mehrere Halbleiterbauelemente aufweist , und ist mithin derart zu verstehen, dass die Schaltungsanordnung wenigstens ein Halbleiterbauelement aufweist . Entsprechendes tri f ft für die Formulierungen zu, dass die Schaltungsanord- nung einen Schaltungsträger beziehungsweise ein Leadframe aufweist . Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung mehrere Halbleiterbauelemente , die j eweils zwischen einem Schaltungsträger und einem Leadframe angeordnet sind, und ein zwischen dem Kühlkörper und j edem Leadframe angeordnetes I solationselement aufweisen . Dabei kann die Schaltungsanordnung einen Schaltungsträger , an dem alle Halbleiterbauelemente angeordnet sind, oder mehrere Schaltungsträger , an denen j eweils wenigstens ein Halbleiterbauelement angeordnet ist , aufweisen . Entsprechend kann die Schaltungsanordnung ein Leadframe für alle Halbleiterbauelemente oder mehrere Leadframes für j eweils wenigstens ein Halbleiterbauelement aufweisen . Wenn die Schaltungsanordnung mehrere Halbleiterbauelemente aufweist , ist beispielsweise wenigstens ein Paar zweier dieser Halbleiterbauelemente elektrisch zu einer Halbbrücke verschaltet .

Die Verschaltung zweier Halbleiterbauelemente kann beispielsweise über einen Schaltungsträger , an dem beide Halbleiterbauelemente angeordnet sind, oder über einen weiteren Schaltungsträger, der mit zwei Schaltungsträgern, an denen j eweils eines der beiden Halbleiterbauelemente angeordnet ist , elektrisch verbunden ist , erfolgen .

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das I solationselement eine Keramikplatte . Beispielsweise ist die Keramikplatte aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Sili ziumnitrid gefertigt . Ein derartiges I solationselement weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und mechanische Stabilität gegenüber der Andrückkraft der Andrückeinrichtung auf .

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das I solationselement eine I solations folie . Beispielsweise ist die Isolations folie aus einem silikonbasierten Material gefertigt . Eine I solations folie ist durch ihre Flexibilität vorteilhaft weitgehend unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und der Andrückkraft der Andrückeinrichtung und daher ebenfalls als I solationselement geeignet . Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkörper eine Aussparung auf , in die das I solationselement eingelegt ist . Die Aussparung legt vorteilhaft die Position des I solationselements fest , insbesondere wenn das I solationselement nicht stof f schlüssig mit dem Kühlkörper verbunden ist .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das I solationselement weder mit dem Kühlkörper noch mit dem Leadframe stof f schlüssig verbunden . Wie oben bereits ausgeführt wurde , ist eine stof f schlüssige Verbindung des I solationselements mit dem Kühlkörper oder dem Leadframe nicht erwünscht , damit das I solationselement flexibel und unabhängig von Temperaturänderungen anderer Komponenten der Schaltungsanordnung durch die Andrückeinrichtung an das Leadframe und den Kühlkörper gedrückt werden kann .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem I solationselement und dem Kühlkörper und/oder zwischen dem I solationselement und dem Leadframe ein Wärmeleitmedium angeordnet . Beispielsweise ist das Wärmeleitmedium ein Wärmeleitöl . Das Wärmeleitmedium erhöht vorteilhaft die Wärmeübertragung zwischen dem I solationselement und dem Kühlkörper und/oder zwischen dem I solationselement und dem Leadframe und verbessert damit insbesondere die Entwärmung des Halbleiterbauelements .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen das Leadframe und der Schaltungsträger ähnliche Wärmeausdehnungskoef fi zienten auf . Dadurch wird einer Verwölbung des Leadframes und des Schaltungsträgers durch große Unterschiede der Wärmeausdehnungskoef fi zienten des Leadframes und des Schaltungsträgers entgegengewirkt .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Leadframe aus Kupfer gefertigt . Diese Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere vorteilhaft , wenn der erste Schaltungsträger eine Leiterplatte ist , da übliche Leiterplatten einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoef fi zienten wie Kupfer aufweisen . Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Andrückeinrichtung wenigstens eine Schraubverbindung auf , die den Kühlkörper mit dem Schaltungsträger oder mit einer Andrückplatte , die auf einer von dem Kühlkörper abgewandten Seite des Schaltungsträgers angeordnet ist , verbindet . Eine derartige Schraubverbindung ist eine einfach, kostengünstig und mit flexibler Andrückkraft realisierbare Aus führung der Andrückeinrichtung .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Schaltungsträger eine Leiterplatte , insbesondere eine mehrlagige Leiterplatte . Die Aus führung des Schaltungsträgers als eine Leiterplatte hat insbesondere den Vorteil , dass das Halbleiterbauelement mit in oder auf der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahnen und Durchkontaktierungen verbunden werden kann .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Halbleiterbauelement einen ersten Lastanschluss , der auf einer dem Schaltungsträger zugewandten Seite des Halbleiterbauelements angeordnet ist und mit einem Kontaktpad des Schaltungsträgers elektrisch verbunden ist , und einen zweiten Lastanschluss , der auf einer dem Leadframe zugewandten Seite des Halbleiterbauelements angeordnet ist und mit dem Leadframe elektrisch verbunden ist , auf . Mit anderen Worten weist das Halbleiterbauelement an sich gegenüberliegenden Seiten angeordnete Lastanschlüsse auf , die j eweils mit dem Schaltungsträger beziehungsweise mit dem Leadframe elektrisch kontaktiert werden . Dadurch wird eine Kontaktierung des Halbleiterbauelements ermöglicht , die analog zu der aus WO 2020/249479 Al bekannten Kontaktierung ist .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterbauelement ein Transistor oder eine Diode oder ein Thyristor . Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich für alle diese Halbleiterbauelemente , da alle diese Halbleiterbauelemente derart ausgeführt werden können, dass ihre Lastanschlüsse an einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterbauelements angeordnet sein können .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen :

FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Aus führungsbeispiels einer Schaltungsanordnung,

FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Aus führungsbeispiels einer Schaltungsanordnung .

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .

Figur 1 ( FIG 1 ) zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Aus führungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1 .

Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Schaltungsträger 3 , ein Halbleiterbauelement 5 , ein Leadframe 7 , ein I solationselement 9 , einen Kühlkörper 11 und eine Andrückeinrichtung 13 .

Das Halbleiterbauelement 5 ist zwischen dem Schaltungsträ- ger 3 und dem Leadframe 7 angeordnet . In dem dargestellten Aus führungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement 5 ein Transistor mit einem Steueranschluss , einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss . Der Steueranschluss und der erste Lastanschluss sind dem Schaltungsträger 3 zugewandt , der zweite Lastanschluss ist dem Leadframe 7 zugewandt . Bei anderen Aus führungsbeispielen kann das Halbleiterbauelement 5 beispielsweise eine Diode oder ein Thyristor sein . Wenn das Halbleiterbauelement 5 eine Diode ist , weist es keinen Steueranschluss , sondern nur zwei Lastanschlüsse auf .

Der Steueranschluss des Halbleiterbauelements 5 ist mit einem ersten Kontaktpad 15 des Schaltungsträgers 3 verbunden . Der erste Lastanschluss des Halbleiterbauelements 5 ist mit einem zweiten Kontaktpad 17 des Schaltungsträgers 3 verbunden . Das erste Kontaktpad 15 und das zweite Kontaktpad 17 sind auf einer dem Halbleiterbauelement 5 zugewandten Seite des Schaltungsträgers 3 angeordnet . Der zweite Lastanschluss des Halbleiterbauelements 5 ist durch ein Verbindungsmaterial 19 , beispielsweise ein Lot- oder Sintermaterial , mit dem Leadframe 7 verbunden .

Der Schaltungsträger 3 ist beispielsweise eine mehrlagige Leiterplatte , in der Durchkontaktierungen verlaufen, die j edes Kontaktpad 15 , 17 mit wenigstens einer Leiterbahn der Leiterplatte verbinden .

Das Leadframe 7 ist aus einem Material gefertigt , das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoef fi zienten wie der Schaltungsträger 3 aufweist . Im Fall , dass der Schaltungsträger 3 eine Leiterplatte ist , kann das Leadframe 7 beispielsweise aus Kupfer gefertigt sein . Das Leadframe 7 ist ferner über elektrisch leitende Verbindungen 20 mit dem Schaltungsträger 3 verbunden . Der übrige Zwischenraum zwischen dem Leadframe 7 und dem Schaltungsträger 3 ist durch ein Vergussmaterial 21 , beispielsweise durch ein Gießharz , gefüllt .

Der Kühlkörper 11 und das I solationselement 9 sind auf einer dem Halbleiterbauelement 5 abgewandten Seite des Leadframes 7 angeordnet . Der Kühlkörper 11 weist leadframeseitig eine Aussparung 23 auf , deren Ausdehnung die Ausdehnung des Leadframes 7 überragt . In die Aussparung 23 ist das I solationselement 9 eingelegt , dessen Ausdehnung ebenfalls die Ausdehnung des Leadframes 7 überragt . Das I solationselement 9 ist somit zwischen dem Leadframe 7 und dem Kühlkörper 11 in der Aussparung 23 des Kühlkörpers 11 angeordnet . Zwischen dem I solationselement 9 und dem Kühlkörper 11 sowie zwischen dem I solationselement 9 und dem Leadframe 7 ist j eweils ein Wärmeleitmedium 25 angeordnet . Das Wärmeleitmedium 25 ist beispielsweise ein Wärmeleitöl . Das I solationselement 9 ist also weder mit dem Kühlkörper 11 noch mit dem Leadframe 7 stof f schlüssig verbunden, sondern nur in die Aussparung 23 des Kühlkörpers 11 eingelegt .

Das I solationselement 9 ist aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gefertigt . Beispielsweise ist das I solationselement 9 eine Keramikplatte . Die Keramikplatte ist beispielsweise aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Sili ziumnitrid gefertigt . Alternativ ist das I solationselement 9 eine I solations folie , die beispielsweise aus einem silikonbasierten Material gefertigt ist .

Die Andrückeinrichtung 13 ist eingerichtet , den Verbund aus dem Schaltungsträger 3 , dem Halbleiterbauelement 5 und dem Leadframe 7 an das I solationselement 9 und den Kühlkörper 11 zu drücken . In Figur 1 ist die Andrückeinrichtung 13 nur schematisch durch ein Pfeilsymbol dargestellt , das die Richtung einer von der Andrückeinrichtung 13 ausgeübten Andrückkraft darstellt .

Figur 2 ( FIG 2 ) zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Aus führungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1 . Dieses Aus führungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Aus führungsbeispiel lediglich dadurch, dass es schematisch eine konkrete Aus führung der Andrückeinrichtung 13 zeigt . Die Andrückeinrichtung 13 weist bei diesem Aus führungsbeispiel eine Andrückplatte 27 und Schraubverbindungen 29 auf . Die Andrückplatte 27 ist auf einer von dem Kühlkörper 11 abgewandten Seite des Schaltungsträgers 3 angeordnet . Die Schraubverbindungen 29 verbinden die Andrückplatte 27 mit dem Kühlkörper 11 und üben dabei über die Andrückplatte 27 eine Andrückkraft aus , die den Verbund aus dem Schaltungsträger 3 , dem Halbleiterbauelement 5 und dem Leadframe 7 an das I solationselement 9 und den Kühlkörper 11 drückt .

Wenn der Schaltungsträger 3 stabil genug ist , kann das in Fi- gur 2 gezeigte zweite Aus führungsbeispiel zu einem dritten Aus führungsbeispiel abgewandelt werden, bei dem die Andrückplatte 27 entfällt und die Schraubverbindungen 29 den Schaltungsträger 3 direkt mit dem Kühlkörper 11 verbinden . Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .