DE10016306C2 - Leistungshalbleiterschaltungsanordnung, insbesondere Stromumrichter, in Druckkontaktierung - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung in Druckkontaktierung, insbesondere in der Form von Stromrichtern, nach dem Anspruch 1 des Hauptpatentes gemäß der DE 199 03 875 C1.

Der Anspruch 1 des Hauptpatentes lautet: Leistungshalbleiterschaltungsanordnung, insbesondere Stromumrichter, in Druckkontaktierung bestehend aus einem Treiber (10) und mindestens einem Gehäuse (8), das eine elektrisch isolierende Grundplatte (14) mit auf Kontaktflächen angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (15) und Anschlußverbindern (11) überdeckt und Hülsen (13) für elektrische Anschlüsse aufweist, wobei zwischen dem Treiber (10) und dem Gehäuse (8) eine elektrisch nichtleitende Druckplatte (9) zum Aufbau eines konstanten Anpreßdruckes angeordnet ist und wobei die Druckplatte (9) aus einer vollständig oder annähernd vollständig in Kunststoff eingebetteten Metalleinlage (2) mit isolierten Durchführungen (4, 5) für elektrische Kontakte besteht.

Wie bereits im Hauptpatent beschrieben, sind Druckkontaktverbindungen aus der Technologie der Herstellung von Halbleitermodulen bzw. -schaltungen als Verbindungstechnik hinlänglich bekannt.

Die Kontaktsicherheit von Druckkontaktaufbauten ist bei Dauer- oder Wechsellastbetrieb von entscheidender Bedeutung für die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung. Alle äußeren Anschlüsse müssen bei wechselnden thermischen und elektrischen Belastungen immer einen sicheren Kontakt zu den internen Kontaktstellen aller Anschlüsse der Schaltungsanordnung gewährleisten. Bei formschlüssigen Kontakten wird durch das Erlahmen der Druckkräfte eine Funktionsstörung des gesamten Aufbaus in realer Zeit verursacht. Zur Erzielung einer höheren Lebensdauer sind aus der Literatur zu dieser Problematik viele Bemühungen durch deren Beschreibungen bekannt. Um das Erreichen einer unbegrenzten Lebensdauer wird gerungen.

Die Technologie der Druckkontaktierung ist, bedingt durch die Erfordernisse der Hermetisierung gegenüber der Atmosphäre, wiederholt Gegenstand der beschriebenen Forschung durch Schafen aller Voraussetzungen für eine praktizierbare Technik gewesen.

In DE 35 08 456 A1 wird ein Druckkontaktaufbau und dessen Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleitermodulen beschrieben. Durch Verschraubungen wird die in dem Gehäuse vorhandene innere Spannkraft zum Drücken der Isolierkeramik bzw. der Leistungshalbleiter auf die Kühlfläche herangezogen. Das Nachlassen der Spannkraft des Gehäuses als Element des Druckaufbaues spricht gegen eine lange Lebensdauer der so aufgebauten Module, da hier kein weiterer Druckenergiespeicher vorgesehen ist.

In DE 41 22 428 A1 wird ein als Druckspeicher fungierendes Kissenelement in die Schaltungs­ anordnung eingebaut. Dieses Kissenelement liegt auf einem Brückenelement, das die schaltungsinternen Bauteile fixiert und darauf Druck ausübt. Die mechanische Stabilität des Brückenelementes wird durch eine Druckplatte oberhalb des Kissenelementes erzeugt, wobei deren Verschraubung mit dem Kühlelement einen statischen Druck aufbaut. Durch diese Dreifachkombination wird eine aufwendige, aber funktionell sehr gut arbeitende Lösung erzielt, ein Erlahmen des Kissenelementes als Druckspeicher ist im Langzeitverhalten denkbar.

In der DE 197 32 738 C1 besteht das Druck ausgleichende Kissen aus einer Dose, die ein fließfähiges oder plastisch deformierbares Medium, z. B. aus metallischem Material, enthält.

DE 41 31 200 C2 stellt eine Schaltungsanordnunng vor, bei der eine Andrückvorrichtung für einen Druckkontakt aus einem Brückenelement besteht, das mit entsprechenden Erhebungen und Einsenkungen ausgebildet ist und mit dem die schaltungsgerechten elektrischen Verbindungen und thermischen Kontakte der Aufbauteile nach Druckbeaufschlagung hergestellt werden. Die Andrückvorrichtung ist aus einem Kunststoff geformt, der im laufenden Betrieb einer Alterung unterliegt, was einen sehr massigen Aufbau bedingt.

In einer früheren Anmeldung, der DE 195 31 496 C1, wird ein druckgebendes Gehäuse mit gleichartig ausgebildeten Drucklippen vorgestellt, wodurch bei Beachtung der übrigen Aufbauvorschriften eine gleichartige Druckverteilung auf alle Verlustwärme erzeugenden Bauteile des Moduls gegeben ist, dabei wird jedes einzelne Bauteil federnd gedrückt. Für sehr große Flächendrücke ist eine solche Drucklippenfederung jedoch nicht geeignet.

Auch hier können durch Alterung Druckminderungen durch Fließen des Kunststoffes auftreten, was eine sehr massige Ausführung erforderlich macht und die erwähnte Begrenzung auf Bereiche mit kleinerem Flächendruck begründet.

DE 196 30 173 A1 trägt den möglichen Langzeitinstabilitäten der beiden vorgenannten Veröffentlichungen dadurch Rechnung, daß Verstärkungen in dem Druckstück aus Kunststoff ausgebildet worden sind. Der Druckspeicher ist hier mittig angeordnet, um von dem Zentrum aus eine gleichmäßige Druckverteilung zu erreichen.

DE 196 51 632 A1 schlägt als druckgebendes Aufbauelement eine Dehnschraube vor, die bei den unterschiedlichen Temperaturen der Schaltungsanordnung für einen Innendruck in den technologisch festgelegten Grenzen sorgt. Diese dynamische Druckangleichung besitzt insbesondere für Schaltungsanordnungen sehr hoher Leistungen Vorteile und eine unbegrenzte Lebensdauer bezüglich eines konstanten Druckes aller Aufbauteile kann erwartet werden.

In DE 198 34 800 C1 ist eine zu dieser Anmeldung als Stand der Technik aufzuführende Leistungshalbleiterschaltungsanordnung beschrieben, die durch die Verwendung von Bimetall als Seele des Druckelementes (bzw. des Deckels oder Brückenelementes) aufweist, mit einer Umhüllung aus organischem Polymer.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu realisierende Leistungshalbleiterschaltungsanordnung, insbesondere Stromumrichter, sehr hoher Packungsdichte mit hoher Zuverlässigkeit in Druckkontaktausführung mit einer Druckplatte vorzustellen, die zuverlässig einen elektrischen Kontakt sowie Druckkontakt garantiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hierzu sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Grenzen der möglichen Leistungsdichte einer Leistungshalbleiterschaltungsanordnung für Stromumrichter in Druckkontaktausführung wurden und werden durch die dauerhafte und gleichförmige Funktionssicherheit der kontaktierten Leistungshalbleiterbauelemente bzw. der daraus aufgebauten Schaltung mit den äußeren Starkstromanschlüssen bestimmt. Der ohmsche Kontakt aller sekundären Verbindungselemente und ein guter Abtransport der im Betrieb entstehenden Verlustwärme zu Kühlelementen sind die zwingenden Voraussetzungen für eine zuverlässige Langzeitqualität in Druckkontaktausführung.

Sichere Druckkontakte verlangen in jedem Betriebszustand eine definierte und immer in vorgegebenen Grenzen gehaltene Andrückkraft zur Vermeidung von überhöhten elektrischen und thermischen Übergangswiderständen einerseits oder Druckdeformierungen andererseits. Dazu ist der Einsatz von Druckspeichern erforderlich.

Einerseits werden elektrisch sichere Kontakte an allen Kontaktstellen benötigt, es muß durch die Montageelemente folglich ein gleichmäßiger Druckaufbau erreicht werden, also eine gute Druckverteilung zu allen Druckkontaktstellen erfolgen. Andererseits muß bei Verwendung von federnden Verbindungen an jeder einzelnen Kontaktstelle für ein dynamisches Verhalten der einzelnen gedrückten Kontaktstellen und der Druckkontaktelemente bei von einander unterschiedlicher thermischer und elektrischer Belastung gesorgt werden. Die Alterung der Druckkontaktelemente muß vermieden werden, das wird durch den erfinderischen Aufbau realisiert.

Weiterhin muß der Widerspruch zwischen dem plastischen Verhalten, der wegen seiner elektrischen Isolierfähigkeit aus Kunststoff hergestellten druckgebenden Gehäuse oder Brückenelemente insbesondere bei wechselnder Temperaturbelastung, und der elektrisch leitenden Materialien mit deren elastischen Eigenschaften gelöst werden. Durch die erforderliche Verwendung unterschiedlicher Materialien als Aufbauelemente des drückenden Systems ergeben sich darüber hinaus unterschiedliche Ausdehnungen.

Die Kombination von zwei nach dem Stand der Technik bekannten Werkstoffen (Metall und Kunststoff) erbringt eine zielgerichtete Lösung in der Anwendung zur Herstellung von gekapselten Schaltungsanordnungen. Dabei wird die einfache Kombination und das Verfahren zum Umspritzen von metallischen Materialien in gleicher Weise als Stand der Technik angesehen, denn diese Technologie spiegelt sich verbreitet in vielen Produkten wieder.

Das vorliegende Zusatzpatent setzt in gleicher Weise, wie das Hauptpatent gemäß der DE 199 03 875 C1, Stahl als metallische Komponente ein, der mit Kunststoff umhüllt wird. Die Formgebung des Stahles ist aufgabenbezogen sehr vielfältig. Eine auf das Gehäuse oder das druckgebende Brückenelement bezogene flächige oder partiell flächige Formgebung mit Durchbrüchen für ein bündiges Umschließen mittels Kunststoff und zur Herstellung von isolierten Durchführungen von elektrischen Verbindungselementen sind stanztechnisch kostengünstig herstellbar und für den Einsatz in Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse von großem Vorteil. Das Zusatzpatent beinhaltet den Einsatz von zwei flächigen Stahleinlagen für den Aufbau des Druckspeichers.

Der Stahl kann räumliche Ausformungen erhalten, wodurch sich die flächige Stabilität erhöht und er erhält Noppen und Nasen zur stabilen formschlüssigen Verbindung mit dem Kunststoff. Die zwei flächigen Stahleinlagen unterscheiden sich grundsätzlich voneinander. Während die eine Lage flächig keine Wölbung aufweist, ist die zweite Lage räumlich konkav oder zylindrisch verwölbt.

Als Kunststoff haben sich organische Polymere mit einem relativ hohen Anteil von meist anorganischen Füllstoffen in der Praxis bestens bewährt. Dabei wird die Wahl des Kunststoffes neben den wirtschaftlichen Aspekten von dessen elektrischer Isolierfähigkeit und mechanischer Dauerbeständigkeit gegen äußere Einflüsse bestimmt. Der Kunststoff darf in seinen duroplastischen Eigenschaften nur minimale insbesondere druckbedingte Formveränderungen nach Einsatz als Druckspeicher aufweisen.

Durch das in der Erfindung gemäß Anspruch 1 eingesetzte Verbundmaterial ist sichergestellt, daß die Druckkontaktierung bei Dauer- oder Wechselbelastung über die gesamte Betriebszeit der Anordnung nicht ermüdet. Dabei müssen die Stahleinlagen in ihrem inneren Aufbau so gestaltet sein, daß bei temperaturmäßiger Wechselbelastung die durch Erweichen des Kunststoffes bei höherer Temperatur nachlassenden Druck- bzw. Zugkräfte ausgeglichen werden.

Der Erfindungsgedanke soll nachfolgend in Fig. 1 in Form der Skizze eines Querschnittes eines möglichen Anwendungsbeispieles veranschaulicht werden.

Fig. 1 skizziert einen Querschnitt einer erfindungsgemäß eingesetzten Druckplatte (9). Ein in der Elektronik bekannter Kunststoff (1) mit den in dieser Branche geforderten Eigenschaften wird in Spritzverfahren zur Ummantelung der beiden Metalleinlagen (2, 20) herangezogen. Dabei kann der Kunststoff (1) aus verschiedenen organischen Verbindungen mit oder ohne Füllstoff gebildet sein. Als Kunststoff eignen sich hervorragend Polybutylentherephthalat (mit dem Handelsnamen Crastin), Polyphenyläther (mit dem Handelsnamen Noryl), Polyphenylsulfid (mit dem Handelsnamen Ryton) oder Polyamid (mit dem Handelsnamen Ultramid). Der Kunststoff (1) kann an der den Innenaufbauten zugewandten Seite Drucknoppen (12) zur Druckübertragung besitzen.

Der Füllstoff in dem Kunststoff (1) ist abhängig von den gewünschten Eigenschaften nach dem Umspritzen der Metalleinlagen (2, 20). In einem Bereich von 0% bis zu 50% Anteil des Füllstoffes am Gesamtgewicht werden sehr gut reproduzierbare Eigenschaften in der Konstruktion von Gehäuse- oder Brückenelementen für Leistungshalbleiterschaltungsanord­ nungen erzielt. Ausschlaggebend für die Definition der Mixturen sind die Forderungen nach Form- und Biegefestigkeit, Druckstabilität und Härte.

Die erste Metalleinlage (2) wird nach den einzelnen Anwendungsfällen in großer Variationsbreite gefertigt. Allen Ausführungsformen gemeinsam sind solche Oberflächengestaltungen der sonst flächigen Blechform mit Noppen, Wällen oder dreidimensionale Stanzausbuchtungen, die ein zuverlässiges und stabiles Ummanteln mit dem Kunststoff (1) ermöglichen. Die Geometrie kann in zwei Hauptgruppen aufgegliedert werden. Einerseits solche mit flächiger Ausdehnung bezogen auf die Gesamtabmessungen und andererseits mit einer partiellen räumlichen Ausdehnung bezogen auf die Ausdehnungsweite des Kunststoffes. Die sich daraus ergebende Vielfalt kann nicht in allen Varianten dargestellt werden.

Die erste und zweite Metalleinlage (2, 20) können aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet werden. Relativ wirtschaftlich und mit einer erprobten Technologie lieferbar ist Stahl. Sowohl in der Härte als auch in seiner Materialstärke sind gestellte Forderungen reproduzierbar herzustellen. Die reproduzierbare Variationsbreite bietet für alle berechneten Anwendungsbeispiele exakt herstellbare Metalleinlagen für die Druckstücke oder Gehäusekonstruktionen.

Die zweite Metalleinlage (20) wird in gewölbter oder konkaver Form dreidimensional geprägt. Die Ausprägung der zweiten Metalleinlage in die dritte räumliche Ebene stellt die Weiterbildung der Erfindung gemäß der DE 199 03 875 C1 dar. Es ist nämlich bei Anwendung der nur einfachen Metalleinlage (2) möglich, daß ungewollte Verzüge der Drückvorrichtung insbesondere bei wechselnder thermischer Wechselbelastung auftreten.

Die Wirkung der zwei Metalleinlagen in Kombination ist durch deren gegenseitige Formarretierung (18) gegeben. Durch die räumliche Begrenzung der Formveränderung der Metalleinlage (20) durch die Formarretierung (18) kann ein von unten auf die Kunststoff umspritzte Metalleinlage (20) nicht zu einer Verwölbung im Einsatzfall führen. Diese Metalleinlage (20) wird auf Druck beansprucht. Die bei Negieren von Noppen und anderen Form stabilisierenden Ausbildungen nicht räumlich ausgeprägte Metalleinlage (2) wird auf Zug beansprucht. Die bei Druckbeauflagung erzeugten Kräfte werden durch die Kombination der beiden Metalleinlagen (2 und 20) in Spannungen ohne Formveränderungen gewandelt. Bei richtiger Dimensionierungen werden so enorm erhöhte Druckkräfte durch dieses erfinderische System aufgenommen.

Der Kunststoff (1) erhält erfindungsgemäß mehrere und verschiedenartige Ausbildungen. Durch Hülsen (3) sind spätere Verschraubungen mit darüber plazierten weiteren Schaltungs­ teilen möglich. Mittels gegen die Metalleinlagen (2, 20) isolierten Durchführungen (4) können Kontaktstifte isoliert durch die Druckplatte geführt werden. Zu Vergrößerung der Isolierstrecken können beidseitig verlängerte Hülsen aus Kunststoff ausgeprägt sein. In gleicher Weise sind ein- oder beidseitig Noppen (6) aus Kunststoff auszuarbeiten, um beim späteren Montieren definierte geometrische Anordnungen mit einzelnen Druckpunkten zu realisieren. In Erweiterung dessen können Arretierungshaken ausgeformt werden, um eine leichte und geometrisch genaue Positionierung zu realisieren.

Fig. 2 stellt einen Aufbauquerschnitt des Umrichters in Druckkontaktierung dar. Skizziert ist ein Gehäuse (8) des Umrichters mit entsprechenden Druckelementen (12) und Hülsen (13) für die Durchführung entsprechender Hilfsanschlüsse, darüber ist die hier nur in ihren Umrissen skizzierte in der Erfindung eingesetzte Druckplatte (9) und ein Treiber (10) positioniert.

Die Schaltungsaufbauten des Umrichters in dem Gehäuse (8) bestehen aus Leistungshalbleiterbauelementen, insbesondere aus Schaltern, wie IGBT oder MOSFET in möglicher teilweiser Parallelschaltung, die in Antiparallelschaltung zusammen mit Freilaufdioden Halbbrücken, Eingangsgleichrichter oder Ausgangsgleichrichter für Leistungsumrichter darstellen können. Die Leistungsbauelemente sind stoffschlüssig durch Löten oder stoffbündig auf den entsprechenden Feldern einer Isolierplatte (14) und untereinander schaltungsgerecht aufgebracht.

Bei der Wahl von geeigneten Keramiken als Isolierplatte (14) ist ein guter Wärmeabtransport auf darunter zu positionierende Kühleinrichtungen möglich. Das Gehäuse bietet in seinem Volumen Platz für Sensoren (15), wie sie für die Erfassung von Betriebsparametern des Umrichters sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Zur Fixierung der Lastanschlüsse und deren Verbindung zu äußeren Kraftstromverbindern sind in dem Gehäuse (8) entsprechende Ausbildungen (16) für das Fixieren von Verschraubungen eingearbeitet.

Zwischen Druckplatte (9) und Gehäuse (8) ist an den Stellen einer dynamischen Druckbelastung alternativ ein Druckspeicher (17), beispielhaft in Form eines Silikongummis, positioniert. In Form einer Arretierung (7) kann eine exakte Lage der Bauteile zueinander erreicht werden und eine aufwendige Verschraubung zur Druckerzeugung bei entsprechenden Einsatzfällen vermieden werden.

Claims (3)

1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung, insbesondere Stromumrichter, in Druckkontaktierung bestehend aus einem Treiber (10) und mindestens einem Gehäuse (8), das eine elektrisch isolierende Grundplatte (14) mit auf Kontaktflächen angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (15) und Anschlußverbindern (11) überdeckt und Hülsen (13) für elektrische Anschlüsse aufweist, wobei zwischen dem Treiber (10) und dem Gehäuse (8) eine elektrisch nichtleitende Druckplatte (9) zum Aufbau eines konstanten Anpreßdruckes angeordnet ist und wobei die Druckplatte (9) aus einer vollständig oder annähernd vollständig in Kunststoff eingebetteten ersten Metalleinlage (20) mit Formarretierungen (18) und einer ebenfalls in den Kunststoffeingebetteten zweiten Metalleinlage (2) besteht, die in sich gewölbt ist und den Formarretierungen passgenau angepasst ist, mit isolierten Durchführungen (4) für elektrische Kontakte in der ersten und zweiten Metalleinlage (2, 20).

2. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metalleinlage (2) und die zweite Metalleinlage (20) aus dem gleichen Werkstoff gebildet wurden.

3. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metalleinlage (2) und die zweite Metalleinlage (20) aus verschiedenen Werkstoffen gebildet wurden.