DE3505086A1 - Power semiconductor module with a plastic casing - Google Patents

Power semiconductor module with a plastic casing

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Abstract

The invention relates to a power semiconductor module with a plastic casing having clips moulded thereon and a ceramic substrate inserted as a baseplate. Modules of this type are screwed onto a heat sink. The rigid mechanical coupling arising in conventional modules, between the attachment point and the substrate pressing onto the heat sink, may result in fracture of the substrate or inadequate contact to the heat sink. It is proposed to couple the substrate (7) with the housing (1) via a thin lip (5, 17), resulting in more favourable contact conditions. <IMAGE>

Description

Leistungshalbleitermodul mit einem KunststoffgehäusePower semiconductor module with a plastic housing

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a power semiconductor module according to Preamble of claim 1.

Ein solches Leistungshalbleitermodul mit Befestigungslaschen ist aus der DE-OS 33 07 704 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen und gegebenenfalls weiteren Bauelementen auf einem Keramiksubstrat, das als Bodenplatte in Ausnehmungen an einem Kunststoffgehäuse eingesetzt ist. Das Keramiksubstrat ragt geringfügig über den Rand des Kunststoffgehäuses hinaus, damit das Keramiksubstrat nach der Montage des Moduls auf einen Kühlkörper fest an diesen Kühlkörper gedrückt wird und somit ein guter Wärmeübergang erreicht wird.Such a power semiconductor module with fastening straps is out DE-OS 33 07 704 known. This is an arrangement of power semiconductor components and optionally further components on a ceramic substrate, which is used as a base plate is inserted into recesses in a plastic housing. The ceramic substrate protrudes slightly over the edge of the plastic housing so that the ceramic substrate after mounting the module on a heat sink pressed firmly against this heat sink and thus a good heat transfer is achieved.

Die Montage des Moduls auf einen Kühlkörper erfolgt mittels Befestigungsschrauben, die durch eine Bohrung in den Befestigungslaschen gesteckt werden. Bei Dekannten Modulen ist beim Festziehen der Schrauben darauf zu achten, daß ein bestimmtes Drehmoment nicht überschritten wird, weil es sonst zu einem Bruch des Keramiksubstrats kommen kann. Aus der DE-OS 33 07 704 sind zwei Vorschläge bekannt, um dies zu verhindern. Nach dem ersten Vorschlag wird am Ubergang zwischen der Gehäusewand zur Befestigungslasche ein Schlitz vorgesehen. Nach dem zweiten Vorschlag werden im Bereich der mit den Befestigungslaschen versehenen Rahmenwandungen spaltförmige Aussparungen zwischen einer umlaufenden Vertiefung und dem Keramiksubstrat vorgesehen. Mit diesen Lösungen soll vermieden werden, daß sich das mechanische Spannungsfeld im Bereich der Befestigungsschrauben unmittelbar auf die bruchempfindliche Keramikplatte überträgt. Es hat sich allerdings gezeigt, daß Schlitze zwischen der Befestigungslasche und der Gehäusewand die Stabilität des gesamten Gehäuses gegen vertikale Zugkräfte sowie gegen seitliche Kräfte und gegen Verkippen verringern. Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn bei Modulen für hohe Leistungen die elektrischen Anschlüsse mit massiven Stromschienen aus Kupfer verbunden werden müssen.The module is mounted on a heat sink using fastening screws, which are inserted through a hole in the mounting brackets. With decents When tightening the screws, make sure that a certain torque is applied to the modules not exceeded otherwise the ceramic substrate will break can come. From DE-OS 33 07 704 two proposals are known to prevent this. According to the first suggestion, the transition between the housing wall becomes the fastening tab a slot is provided. According to the second proposal, in the area of with the Fastening tabs provided frame walls gap-shaped recesses between a circumferential recess and the ceramic substrate is provided. With these solutions should be avoided that the mechanical stress field in the area of the fastening screws transfers directly to the fragile ceramic plate. It has, however shown that slots between the fastening tab and the housing wall the stability of the entire housing against vertical tensile forces as well as against lateral forces and reduce against tilting. This is particularly noticeable when using modules for high performance the electrical connections with solid copper busbars need to be connected.

Bereits geringe Höhenunterschiede oder seitlich versetzte Montage führen dabei zu starker Kräfteausübung auf das Modul.Even small differences in height or laterally offset installation lead to strong exertion of forces on the module.

Auch die Lösung gemäß dem zweiten Vorschlag, die zu einer Spaltbildung zwischen Keramikplatte und der Auflagefläche am Gehäuseboden im Bereich der angeformten BefestigunEslaschen führt, ist bei Hochleistungsmodulen nur begrenzt wirksam. Wenn nämlich die Befestigungsschrauben mit sehr hohem Drehmoment festgezogen werden, verformt sich das Gehäuse und der Luftspalt zwischen Keramikplatte und Gehäuse verschwindet. Der Spalt kann nämlich nur sehr klein gewählt werden, weil sonst Vergubmasse austreten kann oder die Isolationsfestigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann.Even the solution according to the second proposal, which leads to the formation of a gap between the ceramic plate and the contact surface on the housing base in the area of the molded Fastening tabs is only effective to a limited extent with high-performance modules. if namely the fastening screws are tightened with a very high torque, the housing deforms and the air gap between the ceramic plate and the housing disappears. The gap can only be chosen to be very small, because otherwise grouting compound will leak out or the insulation strength can no longer be guaranteed.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Leistungshalbleitermodule mit einem Kunststoffgehäuse anzugeben, die auch für hohe Leistungen (z.B. Gleichströme über 100 Ampere) geeignet sind und die gesichert sind gegen starke Zugkräfte und seitliche Kräfte, wobei das Keramiksubstrat von schädlichen mechanischen Spannungen entlastet ist.The invention is therefore based on the object of power semiconductor modules with a plastic housing, which is also suitable for high powers (e.g. direct currents over 100 amps) are suitable and are secured against strong tensile forces and lateral forces, the ceramic substrate from harmful mechanical stresses is relieved.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Leistungshalbleitermodul durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This task is performed with a generic power semiconductor module solved by the characterizing features of claim 1. Advantageous configurations are specified in the subclaims.

Die damit vorgeschlagene federnde bzw. elastische Anordnung des Keramiksubstrats läßt es zu, daß die Befestigungsschrauben mit hohem Drehmoment angezogen werden.The resilient or elastic arrangement of the ceramic substrate thus proposed allows the fastening screws to be tightened with high torque.

Auf vorteilhafte Weise wird auch eine gute mechanische Entkopplung zwischen der Befestigungsstelle und den äußeren elektrischen Anschlüssen erreicht. Die federnde Anordnung kann vorteilhaft mit einer dünnwandigen Lippe zwischen der Gehäusewand und einer Aufnahmerille für das Keramiksubstrat erreicht werden. Die nachgiebige Lippe am Gehäuse kann einfach flach oder platzsparend gefaltet ausgeführt werden.Good mechanical decoupling is also advantageous reached between the attachment point and the external electrical connections. The resilient arrangement can advantageously be provided with a thin-walled lip between the Housing wall and a receiving groove for the ceramic substrate can be achieved. the The flexible lip on the housing can be designed simply flat or folded to save space will.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Further details and advantages result from the following Description of exemplary embodiments based on the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 eine erste Modulausführung mit einer flachen Lippe am Kunststoffgehäuse, Fig. 2 eine zweite Modulausführung mit einer gefalteten Lippe am Kunststoffgehäuse.1 shows a first module design with a flat lip on the plastic housing, Fig. 2 shows a second module design with a folded lip on the plastic housing.

Fig. 1 zeigt ein Kunststoffgehäuse 1 mit einer angeformten Befestigungslasche 2, die eine Bohrung 3 aufweist.Fig. 1 shows a plastic housing 1 with an integrally formed fastening tab 2, which has a bore 3.

Das Kunststoffgehäuse 1 kann zweckmäßig aus einem glasfaserverstärkten thermoplast bestehen. Am unteren Rand einer Gehäusewand 4 ist eine flache Lippe 5 angeformt, an deren Ende sich eine Aufnahmerille 6 befindet, in die ein Keramiksubstrat 7 eingeklebt wird. In der Aufnahmerille ö ist eine kleine Nut 8 zur Aufnahme von überschüssigem Klebstoff vorgesehen. Als Klebstoff wird ein Elastomer auf Silikonbasis benutzt.The plastic housing 1 can expediently consist of a glass fiber reinforced one thermoplastic. At the lower edge of a housing wall 4 is a flat lip 5, at the end of which there is a receiving groove 6 into which a ceramic substrate 7 is glued in. In the receiving groove ö is a small groove 8 for receiving excess glue provided. A silicone-based elastomer is used as the adhesive used.

Das z.B. mit direkt gebondetem Kupfer 9 metallisierte Substrat 7 ragt typisch etwa 0,1 bis 0,3 mm unten aus dem Gehäuse heraus, um die gewünschten Andruckverhältnisse zu erreichen. Auf der Oberseite des metallisierten Substrats 7 ist ein Halbleiterchip 10 (z.B. eine Diode) aufgelötet, das oben über eine Molybdänronde 11 und einen Kontaktbügel 12 kontaktiert ist. Außerdem ist ein Anschlußelement 13 für einen äußeren elektrischen Anschluß 14 dargestellt, das einen Dehnungsbogen 15 aufweist. Das bestückte Substrat 7 ist mit einer Vergußmasse 16 überdeckt. Als Vergußmasse 16 wird ein weicher elastischer Silikonkautschuk (Elastomer) bevorzugt.The substrate 7 metallized e.g. with directly bonded copper 9 protrudes typically about 0.1 to 0.3 mm from the bottom of the housing to achieve the desired pressure to reach. On top of the metallized substrate 7 is a semiconductor chip 10 (e.g. a diode) soldered on, the one above via a molybdenum blank 11 and a contact clip 12 is contacted. In addition, there is a connection element 13 for an external electrical Connection 14 is shown, which has an expansion bend 15. The populated substrate 7 is covered with a potting compound 16. The potting compound 16 is a soft, elastic one Silicone rubber (elastomer) preferred.

Die flache Lippe 5 wird zweckmäßig etwa 0,5 bis 1 mm dick ausgeführt. Die Länge der Lippe 5 richtet sich nach dem gewünschten Grad der Nachgiebigkeit. Bei der Montage des Moduls auf einen Kühlkörper laßt es die Nachgiebigkeit der Lippe 5 zu, daß das etwas hervorstehende Substrat 7 ein wenig nach innen gedrückt wird. Dadurch wird ein gleichmäßiger Andruck des 3ubstrats 7 auf den Kühlkörper erreicht. Die Andruckkraft ist abhängig von der Dicke und Länge der Lippe 5 und der Art der Vergußmasse 16. Lokale Überhöhungen der Druckspannungen entlang des Substratrandes im Bereich der Befestigungslaschen 2 werden mit der Erfindung wirksam vermieden.The flat lip 5 is expediently made about 0.5 to 1 mm thick. The length of the lip 5 depends on the desired degree of compliance. When mounting the module on a heat sink, the flexibility of the lip leaves it 5 to that the somewhat protruding substrate 7 is pressed a little inward. As a result, even pressure of the substrate 7 on the heat sink is achieved. The pressure force depends on the thickness and length of the lip 5 and the type of Casting compound 16. Local excesses of the compressive stresses along the substrate edge in the area of the fastening tabs 2 are effectively avoided with the invention.

Fig. 2 zeigt eine zweite Modulausführung, bei der am Kunststoffgehäuse 1 eine gefaltete Lippe 17 angeformt ist, an deren Ende sich wie bei der ersten Modulausführung die Aufnahmerille 6 für das Keramiksubstrat 7 befindet. Im Vergleich zur flachen Lippe 5 der ersten Modulausführung beansprucht die gefaltete Lippe 17 weniger Platz, wodurch bei gleicher Gehäusegröße das Substrat 7 größer ausgeführt werden kann. Bei der gefalteten Lippe 17 wird ein Teil der Nachgiebigkeit durch seitliches Verkippen der durch die Faltung gegebenen dünnen vertikalen Wände 18 bewirkt.Fig. 2 shows a second module design, in the case of the plastic housing 1 a folded lip 17 is formed, at the end of which, as in the first module version the receiving groove 6 for the ceramic substrate 7 is located. Compared to the flat Lip 5 of the first module version, the folded lip 17 takes up less space, whereby the substrate 7 can be made larger with the same housing size. In the case of the folded lip 17, part of the flexibility is achieved by tilting it sideways of the thin vertical walls 18 given by the folding.

Wie bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Modulausführung besonders für Module hoher Leistung geeignet.As already stated, the modular design according to the invention is special suitable for high-performance modules.

Wenn solche Module eine große Substratfläche, z.B. gröber als 50 x 50mm2 aufweisen, kann es zweckmäßig sein, wenigstens eine am Kunststoffgehäuse 1 angeformte Abstützung 19 vorzusehen, die etwa in der Substratmitte oder besonders dort wo aktive Bauelemente angeordnet sind, auf das Keramiksubstrat 7 drückt und damit einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand gewährleistet. Diese Abstützung 19 kann zweckmäßig am Ende mit Stützlippen 20 versehen sein, wodurch eine vorteilhafte Elastizität der Abstützeinrichtung 19, 20 erreicht wird.If such modules have a large substrate area, e.g. coarser than 50 x 50mm2, it may be useful to have at least one on the plastic housing 1 Provide molded support 19, approximately in the middle of the substrate or particularly where active components are arranged, presses on the ceramic substrate 7 and thus ensuring a low heat transfer resistance. This support 19 can expediently be provided with support lips 20 at the end, whereby an advantageous Elasticity of the support device 19, 20 is achieved.

Zur einfacheren Gestaltung des Spritzwerkzeuges für das Kunststoffgehäuse 1 und zur leichteren Entnahme aus einer Form kann es zweckmäßig sein, das Gehäuse 1 in einen Deckel 4.1 und einen Gehäuserahmen 4.2 zu trennen, wobei der Deckel 4.1 nachträglich vor dem Umbiegen des Anschlusses 14 auf den Gehäuserahmen 4.2 aufgesetzt wird.To simplify the design of the injection mold for the plastic housing 1 and for easier removal from a mold, it may be useful to remove the housing 1 to separate into a cover 4.1 and a housing frame 4.2, the cover 4.1 subsequently placed on the housing frame 4.2 before bending the connection 14 will.

Die Trennung wischen Rahmen 4.2 und Deckel 4.1 ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 4.3 angedeutet.The separation between frame 4.2 and cover 4.1 is shown in FIG. 1 indicated by a dashed line 4.3.

Entsprechend kann in Figur 2 die Stütze 19 nur am Gehäuseunterteil angeformt sein.Correspondingly, in FIG. 2, the support 19 can only be on the lower part of the housing be molded.

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Claims (9)

Ansprüche Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse, an das Befestigungslaschen angeformt sind und in das als Bodenfläche ein mit Bauelementen bestücktes Keramiksubstrat eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daX das Keramiksubstrat (7) federnd im Kunststoffgehäuse (1) angeordnet ist. Claims power semiconductor module with a plastic housing the fastening straps are formed and in the one with components as a bottom surface equipped ceramic substrate is used, characterized in that the ceramic substrate (7) is resiliently arranged in the plastic housing (1). 2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat (7) in eine Aufnahmerille (b) eingesetzt ist, die über eine dünnwandige Lippe (5,17) mit einer Gehäusewand (4) verbunden ist. 2. Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that that the ceramic substrate (7) is inserted into a receiving groove (b) which has a thin-walled lip (5, 17) is connected to a housing wall (4). 3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache Lippe (5) vorgesehen ist. 3. Power semiconductor module according to claim 2, characterized in that that a flat lip (5) is provided. 4. Leistunghalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gefaltete Lippe (17) vorgesehen ist. 4. Power semiconductor module according to claim 2, characterized in that that a folded lip (17) is provided. 5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (1) mindestens eine Abstützung (19) aufweist, die auf das Keramiksubstrat (7) drückt. 5. Power semiconductor module according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the plastic housing (1) has at least one support (19), which presses on the ceramic substrate (7). 6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (19) am Ende nachgiebige Stützlippen (20) aufweist, mit denen die Abstützung (19) auf das Keramiksubstrat (7) drückt. 6. Power semiconductor module according to claim 5, characterized in that that the support (19) has flexible support lips (20) at the end with which the support (19) presses on the ceramic substrate (7). 7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach außen geführte elektrische Anschlußelemente (13) einen Dehnungsbogen (15) aufweisen. 7. Power semiconductor module according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that outwardly guided electrical connection elements (13) have a Have expansion bows (15). 8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul mit einer weichen elastischen Vergußmasse (16) ausgegossen ist. 8. Power semiconductor module according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the module is filled with a soft, elastic casting compound (16) is. 9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aufgeteilt ist in einen Deckel (4.1) und einen Gehäuserahmen (4.2). 9. Power semiconductor module according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the housing (1) is divided into a cover (4.1) and a Housing frame (4.2).
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