DE10048859A1 - Pressure contact arrangement, is designed for uniform pressure distribution when holding electronic component between contact surfaces - Google Patents
Pressure contact arrangement, is designed for uniform pressure distribution when holding electronic component between contact surfacesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckkontaktanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung gemäß An spruch 13.The invention relates to a pressure contact arrangement according to the Preamble of claim 1 and their use according to An Proverb 13
Bei vielen technischen Anwendungen werden elektronische Bau elemente innerhalb von Schaltungsanordnungen über sogenannte Druckkontaktierungen in der Schaltungsanordnung gehaltert, fixiert und elektrisch kontaktiert. Dies trifft insbesondere für den Bereich der Leistungshalbleitermodule zu, bei welchem den thermischen Wechsellasten Rechnung getragen werden muß, um einen zuverlässigen Betrieb mit möglichst hoher Lebens dauer der elektronischen Bauelemente zu gewährleisten.In many technical applications, electronic construction elements within circuit arrangements via so-called Pressure contacts held in the circuit arrangement, fixed and electrically contacted. This is particularly true for the area of power semiconductor modules, at which the thermal alternating loads must be taken into account, for reliable operation with the longest possible life to ensure the duration of the electronic components.
Zur mechanischen Halterung und elektrischen Kontaktierung im Rahmen der Druckkontakttechnik werden im Stand der Technik sogenannte Druckkontaktanordnungen vorgesehen. Diese sind ausgelegt, im Betrieb mindestens ein elektronisches Bauele ment zu haltern und zu kontaktieren, wobei dieses Bauelement erste und zweite sich im wesentlichen gegenüberliegende Kon taktflächen aufweist. Dazu besitzen bekannte Druckkontakt anordnungen mindestens eine erste und zweite Druckkontaktein richtung. Diese sind ausgebildet, im Betrieb der Druckkonta ktanordnung zumindest mit Kontaktbereichen der ersten bzw. zweiten Kontaktfläche des elektronischen Bauelements mecha nisch und elektrisch verbunden zu werden, um mindestens einen Teil des elektronischen Bauelements unter Anwendung eines me chanischen Drucks zwischen den Kontakteinrichtungen zwischen sich aufzunehmen, mechanisch zu haltern und einen elektri schen Kontakt der jeweiligen Druckkontakteinrichtung mit der jeweiligen Kontaktfläche des elektronischen Bauelements auszubilden. Die Druckkontaktanordnung ist im Bereich einer Schaltungsanordnung ausgebildet und insbesondere zumindest mit einer der Druckkontakteinrichtungen an einem Träger der Schaltungsanordnung, z. B. einer Platine, einem Gehäuseab schnit oder dergleichen, verbunden.For mechanical mounting and electrical contacting in the Frame of pressure contact technology are in the prior art so-called pressure contact arrangements are provided. These are designed, at least one electronic component in operation to hold and contact ment, this component first and second essentially opposite cones has tact areas. For this purpose, have known pressure contact arrange at least a first and second pressure contacts direction. These are trained in the operation of the pressure contact ktanordnung at least with contact areas of the first or second contact surface of the electronic component mecha nisch and electrically connected to at least one Part of the electronic component using a me chanic pressure between the contact devices between to record themselves, mechanically and an electri contact of the respective pressure contact device with the to form the respective contact surface of the electronic component. The pressure contact arrangement is in the range Circuit arrangement designed and in particular at least with one of the pressure contact devices on a carrier of Circuit arrangement, e.g. B. a circuit board, a housing cuts or the like.
Es wurde festgestellt, daß das Aufprägen des mechanischen Drucks zum Haltern und Kontaktieren des elektronischen Bau elements im Bereich der Druckkontaktanordnung bzw. auf dem entsprechenden Träger der Schaltungsanordnung die mechani schen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der einzel nen Bereiche des elektronischen Bauelements und somit dessen Funktion beeinflussen kann. Insbesondere können entsprechende Druckverteilungen im Bereich des elektronischen Bauelements und insbesondere deren Ungleichmäßigkeit zu einer reduzierten Abschaltfähigkeit des elektronischen Bauelements zu einer er höhten Ausfallrate bei entsprechenden Schaltungsanordnungen führen.It was found that the stamping of the mechanical Pressure for holding and contacting the electronic construction elements in the area of the pressure contact arrangement or on the corresponding carrier of the circuit arrangement the mechani electrical, thermal and electrical properties of the individual NEN areas of the electronic component and thus its Function can affect. In particular, corresponding Pressure distributions in the field of electronic components and especially their unevenness to a reduced one Disconnectability of the electronic component to a he increased failure rate with corresponding circuit arrangements to lead.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckkontakt anordnung zu schaffen, mit welcher ein besonders zuverlässi ger Betrieb von Schaltungsanordnungen in Druckkontakttechnik bei besonders hoher Abschaltfähigkeit und geringer Ausfall rate druckkontaktierter elektronischer Bauelemente gewährlei stet ist.The invention has for its object a pressure contact to create an arrangement with which a particularly reliable eng Operation of circuit arrangements in pressure contact technology with particularly high switch-off capacity and low failure guarantee rate of pressure-contacted electronic components is steady.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Druckkontaktanord nung erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. The task is in a generic pressure contact arrangement tion according to the invention by the features of the characteristic Part of claim 1 solved. Furthermore, the task is accomplished by the use of the pressure contact arrangement according to the invention solved according to claim 13. Advantageous further developments of inventive pressure contact arrangement are the subject of dependent subclaims.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß bei der Druck kontaktanordnung die vorgesehenen Druckkontakteinrichtungen zur Ausbildung einer im wesentlichen symmetrischen, gleich mäßigen und/oder homogenen Druckverteilung im elektronischen Bauelement ausgelegt sind, insbesondere zumindest zwischen den zwischen den Druckkontakteinrichtungen aufgenommenen Kon taktbereichen der Kontaktflächen des elektronischen Bauele ments. Es ist somit eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung, bei an sich bekannten Druckkontaktanordnungen mit den darin vorgesehenen Druckkontakteinrichtungen diese derart auszugestalten, daß eine im wesentlichen symmetrische, gleichmäßige und/oder homogene Druckverteilung im Bereich des elektronischen Bauelements erreicht wird. Ist eine derartige Druckverteilung nämlich im wesentlichen symmetrischer, gleichmäßiger und/oder homogener Art und Weise im Bereich des elektronischen Bauelements gegeben, so sind entsprechend auch die mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigen schaften in den mit dieser Druckverteilung beaufschlagten Be reichen des elektronischen Bauelements in analoger Weise aus gebildet. Somit liegt dann im Bereich des elektronischen Bau elements erfindungsgemäß keine ungleichmäßige, asymmetrische oder inhomogene mechanische, thermische und/oder elektrische Belastung der jeweiligen druckbeaufschlagten Bereiche des elektronischen Bauelements vor. Demzufolge wird eine einsei tige Belastung jeweils vermieden, wodurch sich eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit und Fehlerrate der elektronischen Bauelemente im Betrieb im Gegensatz zum Stand der Technik er gibt.The solution according to the invention is that the pressure contact arrangement the intended pressure contact devices to form a substantially symmetrical, same moderate and / or homogeneous pressure distribution in the electronic Component are designed, in particular at least between the Kon recorded between the pressure contact devices cycle areas of the contact surfaces of the electronic components management. It is therefore a basic idea of the present Invention with known pressure contact arrangements with the pressure contact devices provided in this way to design that an essentially symmetrical, uniform and / or homogeneous pressure distribution in the area of electronic component is achieved. Is one of those Pressure distribution namely essentially symmetrical, uniform and / or homogeneous manner in the area of Given electronic component, so are accordingly the mechanical, thermal and / or electrical properties in the be pressurized with this pressure distribution sufficient of the electronic component in an analogous manner educated. So it is in the field of electronic construction elements according to the invention no uneven, asymmetrical or inhomogeneous mechanical, thermal and / or electrical Loading of the respective pressurized areas of the electronic component. As a result, it becomes a unity term load avoided, resulting in a lower Failure probability and failure rate of the electronic Components in operation in contrast to the prior art gives.
Diese Erkenntnis beruht maßgeblich auf der Analyse herkömmli cher Druckkontaktanordnungen, bei welchen aufgrund der dort ausgebildeten Asymmetrie, Ungleichmäßigkeit und/oder Inhomo genität der Druckverteilung entsprechende geometrische und/oder mechanische und damit den Betrieb des Bauteils nega tiv beeinflussende Bauteiländerungen gegeben sind.This finding is largely based on the analysis of conventional cher pressure contact arrangements, in which due to there trained asymmetry, unevenness and / or inhomo corresponding geometric distribution and / or mechanical and thus the operation of the component nega component changes that affect the tiv
Zur Erreichung der Ausgestaltung einer derart vorteilhaften Druckverteilung ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung vorgesehen, daß im Betrieb die Kontaktbereiche der Kontaktflächen des elektronischen Bauelements flächenmäßig in etwa übereinstim mend ausgebildet sind. Dies wird insbesondere durch die ent sprechende Ausgestaltung der Druckkontakteinrichtungen er reicht. Stimmen die jeweiligen Kontaktbereiche, an denen die den Druck erzeugenden Kräfte ansetzen, flächenmäßig in etwa überein, so steht dem jeweiligen einen Kontaktbereich jeweils ein flächenmäßig in etwa übereinstimmender anderer Kontaktbe reich mechanisch gegenüber, so daß sich die gegenüberstehen den Kontaktbereiche aufgrund der Kräfte und Gegenkräfte etwa gegeneinander abstützen können. Dies vermeidet mechanische Spannungen und geometrische Verzerrungen im Bereich des elek tronischen Bauelements, nämlich dort, wo beim Stand der Tech nik der jeweils eine Kontaktbereich oder die jeweils eine Kontaktfläche des elektronischen Bauelements keine Möglich keit zum entsprechenden Abstützen an der gegenüberliegenden Kontaktfläche besitzt.To achieve the design of such an advantageous Pressure distribution is according to a preferred embodiment form of the pressure contact arrangement according to the invention provided, that in operation the contact areas of the contact surfaces of the Electronic component approximately in area are trained. This is particularly due to the ent speaking design of the pressure contact devices he enough. Are the respective contact areas in which the apply the pressure-generating forces in terms of area match, the respective one contact area is in each case a similar contact area in terms of area mechanically so that they face each other the contact areas due to the forces and opposing forces can support each other. This avoids mechanical Tensions and geometric distortions in the area of the elec tronic component, namely where the Tech nik the one contact area or the one Contact area of the electronic component is not possible ability to support the opposite Has contact area.
Vorangehend und nachfolgend kann unter dem allgemeinen Be griff "Träger" auch immer eine Platine, ein Schaltungssub strat, ein Gehäuseabschnitt, ein Spann- oder Halteelement ei ner Scheibenzellenanordnung oder dergleichen verstanden wer den.Above and below, under the general Be "Carrier" always grabbed a board, a circuit sub strat, a housing section, a tensioning or holding element egg ner disc cell arrangement or the like understood who the.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Druckkontaktanordnung wird die vorteilhafte und erfindungsgemäße Druckverteilung im elektronischen Bauelement im Betrieb dadurch erreicht, daß zumindest die Kontaktbereiche der Kontaktflächen des elektronischen Bauelements in etwa planar ausgebildet sind. Die Planarität also Ebenheit der Kontaktbereiche, also der Angriffsflächen der den mechani schen Druck erzeugenden Kräfte, gewährleistet eine besonders gleichmäßige und übersichtliche Verteilung der Kräfte und so mit der Entstehung des Drucks im Innern des Bauelements. Dies kann insbesondere auch durch die Ausgestaltung der entspre chenden Druckkontakteinrichtungen der Druckkontaktanordnung erreicht werden.According to another preferred embodiment of the inventions The inventive pressure contact arrangement is the advantageous and pressure distribution according to the invention in the electronic component achieved in operation in that at least the contact areas the contact areas of the electronic component in about are planar. The planarity is flatness Contact areas, i.e. the attack surfaces of the mechani pressure generating forces ensures a special uniform and clear distribution of forces and such with the creation of the pressure inside the component. This can in particular also correspond to the design of the corresponding pressure contact devices of the pressure contact arrangement can be achieved.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungs gemäßen Druckkontaktanordnung ist es vorgesehen, daß im Be trieb, insbesondere durch Ausgestaltung der Druckkontaktein richtungen, zumindest der Druckkontaktbereich der Kontaktflä chen des elektronischen Bauelements in etwa äquidistant, vor zugsweise parallel zueinander angeordnet sind. Damit wird ge währleistet, daß zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen oder Kontaktflächen eine in etwa übereinstimmende Material schicht des elektronischen Bauelements angeordnet ist. Dies gewährleistet im Betrieb, daß eine einmal aufgebrachte gleichmäßige Kräfteverteilung auf dem Kontaktbereich und der Kontaktfläche sich auch als gleichmäßige und erfindungsgemäße Druckverteilung im Inneren des elektronischen Bauelements zwischen den Kontaktbereichen oder Kontaktflächen des Bauele ments fortpflanzt.In another advantageous development of the Invention According to the pressure contact arrangement, it is provided that in the loading driven, especially by designing the pressure contacts directions, at least the pressure contact area of the contact surface Chen of the electronic component in approximately equidistant are preferably arranged parallel to each other. This is ge ensures that between the respective contact areas or contact surfaces an approximately matching material layer of the electronic component is arranged. This ensures in operation that a once applied even distribution of forces on the contact area and the Contact area also as a uniform and inventive Pressure distribution inside the electronic component between the contact areas or contact surfaces of the component reproduces.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Druckkontaktanordnung ist es vorgesehen, daß sich im Betrieb, insbesondere durch Ausgestaltung der Druck kontakteinrichtungen, zumindest die Kontaktbereiche der Kon taktflächen des elektronischen Bauelements in bezug auf die den mechanischen Druck erzeugenden Kräfte im wesentlichen bündig und/oder parallel beabstandet gegenüberliegen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die maßgeblichen Kontaktbereiche der Kontaktflächen des elektronischen Bauelements di rekt gegenüberstehen, so daß insbesondere am Rand der maßgeb lichen Kontaktbereiche der Kontaktflächen keine Ungleichmä ßigkeiten in der Druckverteilung, insbesondere Verzerrungen oder Verbiegungen, auftreten.According to a further preferred embodiment of the inventions inventive pressure contact arrangement, it is provided that themselves in operation, especially by designing the pressure contact devices, at least the contact areas of the Kon tact areas of the electronic component in relation to the the forces generating mechanical pressure essentially opposite each other flush and / or parallel. By this measure is achieved that the relevant contact areas the contact surfaces of the electronic component di face each other, so that, in particular, at the edge of the decisive Liche contact areas of the contact surfaces no uneven liquids in the pressure distribution, especially distortions or bends.
Die Träger können bei einer besonderen Ausführungsform oder Anwendung der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung auch Bestandteil einer sogenannten Scheibenzellenanordnung sein, bei welcher durch die Druckkontaktierung über zwei als Span nelemente gegeneinander wirkende Träger die Anordnung mit mindestens einem elektronischen Bauelement geschaffen wird. Diese Anordnung wird dann in einer weitergehenden Anwendung in eine übergeordnete Schaltungseinheit eingebracht und ent sprechend kontaktiert. Die Scheibenzellenanordnung weist da bei im Betrieb z. B. parallel geschaltet eine Mehrzahl glei cher Bauelemente, z. B. IGBTs, auf.The carriers can in a special embodiment or Application of the pressure contact arrangement according to the invention also Be part of a so-called disk cell arrangement, in which the pressure contact via two as a chip elements acting against each other support the arrangement at least one electronic component is created. This arrangement is then used in a broader application introduced into a higher-level circuit unit and ent contacted speaking. The disc cell arrangement points there when in operation z. B. connected in parallel a plurality cher components, e.g. B. IGBTs.
Vorteilhafterweise ist die Druckkontaktanordnung dazu ausge bildet, im Betrieb einen mechanischen und/oder elektrischen Kontakt des elektronischen Bauelements auf mindestens einem vorgesehenen Träger, zum Beispiel einer Schaltungsanordnung oder dergleichen, auszubilden. Damit wird also nicht nur er reicht, daß ein mechanischer und/oder elektrischer Abgriff am elektronischen Bauelement realisiert wird, sondern es wird gleichzeitig auch eine Halterung und Verschaltung an minde stens einem vorgesehenen Träger ausgebildet.The pressure contact arrangement is advantageously designed for this purpose forms a mechanical and / or electrical in operation Contact of the electronic component on at least one provided carrier, for example a circuit arrangement or the like. So that's not just him is sufficient that a mechanical and / or electrical tap on electronic component is realized, but it will at the same time also a bracket and connection to minde least designed an intended carrier.
Des weiteren ist es gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung vorgesehen, daß im Betrieb das elektronische Bauelement über die zweite Druck kontakteinrichtung mit von mindestens einem Träger im wesent lichen abgewandter erster Druckkontaktfläche und dem Träger im wesentlichen zugewandter zweiter Druckkontaktfläche auf dem Träger insbesondere mechanisch durch Druck gehaltert und/oder elektrisch kontaktiert wird. Durch diese Maßnahme wird eine Orientierung des elektronischen Bauelements, näm lich mit dem Träger im wesentlichen abgewandter erster Kon taktfläche und dem Träger im wesentlichen zugewandter zweiter Kontaktfläche, realisiert.Furthermore, it is according to another embodiment of the Pressure contact arrangement according to the invention provided that in Operation of the electronic component via the second pressure contact device with at least one carrier essentially Lichen facing away from the first pressure contact surface and the carrier essentially facing second pressure contact surface the carrier is held in particular mechanically by pressure and / or is contacted electrically. By this measure an orientation of the electronic component, näm Lich first con with the carrier essentially turned away tact area and the carrier essentially facing second Contact area, realized.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Druck kontaktanordnung ausgebildet, im Betrieb mindestens ein elek tronisches Bauelement zwischen zwei Trägern, insbesondere me chanisch durch Druck, zu haltern, einzuspannen und/oder elek trisch zu kontaktieren. Dabei ist im Betrieb insbesondere die erste Druckkontakteinrichtung dem einen Träger, die zweite Druckkontakteinrichtung dem anderen Träger zugewandt angeord net und/oder es ist ferner im Betrieb die zweite Kontaktflä che dem einen Träger und die erste Kontaktfläche des Bauele mentes jeweils dem anderen Träger zugewandt. Dadurch wird er reicht, dass im Betrieb durch die erfindungsgemäße Druckkon taktanordnung das Bauelement oder die Mehrzahl von Bauelemen ten in einer sandwichartigen Struktur zwischen den Trägern angeordnet und eingespannt wird bzw. werden.In another preferred embodiment, the pressure is formed contact arrangement, in operation at least one elek tronic component between two carriers, especially me mechanical by pressure, to hold, to clamp and / or elec to contact trisch. In particular, the first pressure contact device one carrier, the second Pressure contact device arranged facing the other carrier net and / or it is also in operation the second contact surface che the one carrier and the first contact surface of the component mentes facing the other carrier. This will make him is enough that in operation by the Druckkon invention clock arrangement the component or the plurality of components sandwiched between the beams is arranged and clamped.
Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn die Kon taktbereiche und/oder die Kontaktflächen identisch sind in Form, Größe und Orientierung und sich bündig direkt gegenüber stehen.The situation is particularly simple if the Kon cycle areas and / or the contact areas are identical in Shape, size and orientation and flush with each other stand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung ist es zur Flächenanpassung der ersten und/oder zweiten Druckkontakteinrichtung mit der jeweiligen ersten und/oder zweiten Kontaktfläche bzw. entsprechenden Kontaktbereiche des elektronischen Bauelements vorgesehen, ein entsprechendes Zwischenstück auszubilden. Dieses Zwi schenstück realisiert durch seine mechanischen Eigenschaften gerade die Flächenanpassung zwischen Druckeinrichtung und entsprechender Kontaktfläche und entsprechendem Kontaktbe reich, wobei die mechanischen Eigenschaften gerade durch ent sprechende Steifigkeit, Starrheit und Inkompressibilität des Materials des Zwischenstücks gekennzeichnet sind.According to a further embodiment of the invention Pressure contact arrangement is used to adapt the surface of the first and / or second pressure contact device with the respective first and / or second contact surface or corresponding Contact areas of the electronic component are provided, to form a corresponding intermediate piece. This two schenstück realized through its mechanical properties just the area adjustment between printing device and corresponding contact surface and contact rich, with the mechanical properties just through ent speaking rigidity, rigidity and incompressibility of the Material of the intermediate piece are marked.
Besonders günstige Eigenschaften und eine besonders einfache Herstellung und Montage des jeweiligen Zwischenstücks im Rah men der Ausbildung der Druckkontaktanordnung ergibt sich ge mäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch, daß das Zwischenstück jeweils im wesentlichen einteilig und/oder einstückig mit der jeweiligen Druckeinrichtung ausgebildet ist.Particularly favorable properties and a particularly simple one Production and assembly of the respective intermediate piece in the frame men the formation of the pressure contact arrangement results in ge according to a particularly preferred embodiment in that the intermediate piece essentially in one piece and / or integrally formed with the respective printing device is.
Andererseits ist es auch vorgesehen, daß das Zwischenstück im wesentlichen jeweils einteilig und/oder einstückig mit dem elektronischen Bauelement, insbesondere mit der jeweiligen Kontaktfläche bzw. dem jeweiligen Kontaktbereich davon, aus gebildet ist. Hier wird also auf besonders einfache Art und Weise bereits bei der Ausgestaltung des elektronischen Bau elements, insbesondere von dessen Kontaktflächen oder Kon taktbereichen, zum Beispiel in Form von entsprechenden Metal lisierungsschichten, eine entsprechende Flächenanpassung auf einfache Art und Weise realisiert.On the other hand, it is also provided that the intermediate piece in essentially each in one piece and / or in one piece with the electronic component, in particular with the respective Contact area or the respective contact area thereof is formed. So here in a particularly simple way Way already in the design of the electronic construction elements, especially its contact surfaces or con clock areas, for example in the form of corresponding metal layers, a corresponding surface adjustment realized in a simple way.
Grundsätzlich können aber auch bekannte und bereits vorhan dene Druckkontaktanordnungen durch separate und hinzuzufü gende Zwischenstücke nachgerüstet und so zu einer erfindungs gemäßen Druckkontaktanordnung mit entsprechenden Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik nachgerüstet werden.In principle, however, well-known and already existing ones dene pressure contact arrangements by separate and add retrofitted intermediate pieces and thus to a fiction appropriate pressure contact arrangement with corresponding advantages compared to the state of the art.
Um die Leistungsaufnahme zu steigern, ist es bei vielen An wendungen, insbesondere im Bereich der Leistungshalbleiter elektronik, vorgesehen, eine Mehrzahl, insbesondere im wesentlichen gleichartiger, gleichwirkender elektronischer Bau elemente parallel zu schalten. Gemäß einer weiteren bevorzug ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckkontaktanord nung ist eine entsprechende Maßnahme vorgesehen, nämlich die Druckkontaktanordnung zur Druckkontaktierung einer Mehrzahl, insbesondere im wesentlichen gleichartiger, gleichwirkender und/oder parallel zu verschaltender, elektrischer Bauelemente auszubilden.To increase the power consumption, it is with many people applications, especially in the field of power semiconductors electronics, provided a plurality, in particular essentially similar, equivalent electronic construction to connect elements in parallel. According to another preferred th embodiment of the pressure contact arrangement according to the invention A corresponding measure is planned, namely the Pressure contact arrangement for pressure contacting a plurality, in particular, essentially of the same kind, with the same effect and / or electrical components to be connected in parallel train.
Dabei wird einerseits insbesondere eine entsprechende Mehr zahl von ersten und zweiten Druckkontakteinrichtungen und/oder eine entsprechende Mehrzahl von Zwischenstücken aus gebildet.On the one hand, there is a corresponding additional number of first and second pressure contact devices and / or a corresponding plurality of intermediate pieces educated.
Andererseits sind dabei bei der Druckkontaktanordnung insbe sondere jeweils eine gemeinsame erste und/oder eine gemein same zweite Druckkontakteinrichtung ausgebildet. Diese sind vorzugsweise aus Molybdän gefertigt und/oder liegen jeweils einstückig oder einteilig vor. Die gemeinsamen Druckkon takteinrichtungen haben jeweils daran eine entsprechende An zahl einteilig oder einstückig angebrachter oder Zwischen stücke vorgesehen. Derartige gemeinsame erste und/oder zweite Druckkontakteinrichtungen haben den Vorteil, dass sie auf grund ihrer Einstückigkeit oder Einteiligkeit in einen ver gleichsweise einfachen Fertigungsprozess mit hoher Genauig keit hergestellt werden können und dass bei der Montage und Anordnung eine Justage der gegebenenfalls vorgesehenen Zwi schenstücke relativ zueinander weitestgehend entfällt.On the other hand, in particular with the pressure contact arrangement in particular a common first and / or common same second pressure contact device is formed. These are preferably made of molybdenum and / or lie in each case in one piece or in one piece. The common printing con clock devices each have a corresponding type number attached in one piece or in one piece or intermediate pieces provided. Such common first and / or second Pressure contact devices have the advantage of being on due to their one-piece or one-piece design in a ver equally simple manufacturing process with high accuracy can be manufactured and that during assembly and Arrangement an adjustment of the possibly provided Zwi cuttings relatively largely eliminated.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die erfindungsgemäße Druckkontaktanordnung zur Halterung und/oder elektrischen Kontaktierung eines oder mehrerer elek tronischer Bauelemente zu verwenden, insbesondere bei feldge steuerten Halbleiterbauelementen, zum Beispiel Dioden, FETs, IGBTs oder dergleichen, und zwar vorzugsweise mit jeweils mindestens einer ersten und zweiten Kontaktfläche, auf einer Oberseite bzw. Unterseite des elektronischen Bauelements, auf einem Träger einer Schaltungsanordnung, vorzugsweise eines Leistungshalbleitermoduls oder dergleichen. Durch diese er findungsgemäße Verwendung werden insbesondere Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden, es hat sich nämlich gezeigt, daß insbesondere feldgesteuerte Halbleiterbauelemente sehr empfindlich auf entsprechende Ungleichmäßigkeiten und Asymme trien in der Druckverteilung im Inneren des elektronischen Bauelements reagieren. Beim Stand der Technik wurden dadurch verkürzte maximale Betriebszeiten, eine erhöhte Ausfallquote und negative Einflüsse auf die Leistungsparameter festge stellt, welche nunmehr erfindungsgemäß vermieden werden.Another aspect of the present invention is the pressure contact arrangement according to the invention for mounting and / or electrical contacting of one or more elec tronic components to use, especially with feldge controlled semiconductor components, for example diodes, FETs, IGBTs or the like, preferably with each at least a first and second contact surface, on one Top or bottom of the electronic component on a carrier of a circuit arrangement, preferably one Power semiconductor module or the like. Through this he Use according to the invention is particularly disadvantageous avoided the state of the art, because it has been shown that in particular field-controlled semiconductor devices sensitive to corresponding irregularities and asymmetries trien in the pressure distribution inside the electronic Component react. In the state of the art shortened maximum operating times, an increased failure rate and negative influences on the performance parameters provides which are now avoided according to the invention.
Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung der erfin dunggemäßen Druckkontaktanordnung in einem Scheibenzellenauf bau oder dergleichen mit mindestens einem ersten und einem zweiten Träger, zwischen denen im Betrieb das Bauelement ge bildet und/oder eingespannt wird.The use of the inventions is also particularly advantageous appropriate pressure contact arrangement in a disc cell construction or the like with at least a first and a second carrier, between which the component is in operation forms and / or is clamped.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh rungsformen der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung näher erläutert.The invention is described below on the basis of a preferred embodiment tion forms of the pressure contact arrangement according to the invention closer explained.
Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Druckkontaktan ordnung im Betrieb. Fig. 1 is a sectional side view of an Ausfüh approximate shape of the Druckkontaktan arrangement according to the invention in operation.
Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckkon taktanordnung im Betrieb. Fig. 2 is a sectional side view of a second embodiment of the Druckkon tact arrangement according to the invention in operation.
Fig. 3 ist eine geschnittene Seitenansicht einer weite ren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druck kontaktanordnung im Betrieb. Fig. 3 is a sectional side view of a wide ren embodiment of the pressure contact assembly according to the invention in operation.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung bei einem Scheibenzellen aufbau. Fig. 4 shows a partially sectioned side view of an embodiment of the pressure contact arrangement according to the invention in a disk cell structure.
Fig. 5 zeigt eine herkömmliche Druckkontaktanordnung im Betrieb, ebenfalls in Form einer geschnittenen Seitenansicht. Fig. 5 shows a conventional pressure contact arrangement in operation, also in the form of a sectional side view.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung im Betrieb. Die Bezugszeichen für die einzelnen Elemente der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Aus führungsformen sind identisch. Die einzelnen Elemente der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen werden somit nach folgend gemeinsam erörtert. Figs. 1, 2 and 3 show in schematic and sectional side view of three embodiments of the pressure contact assembly according to the invention in operation. The reference numerals for the individual elements of the embodiments shown in FIGS. 1 to 3 are identical. The individual elements of the embodiments shown in FIGS. 1 to 3 are thus discussed together as follows.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung 10 wird zwischen einer ersten Druckkontakteinrichtung 11 und ei ner zweiten Druckkontakteinrichtung 12 ein elektronisches Bauelement 20 gehaltert und durch zwischen den Druckkon takteinrichtungen 11 und 12 wirkende mechanische Kräfte F1 und F2, welche als Pfeile in den Fig. 1 bis 3 dargestellt sind, mit Kontaktbereichen 21a und 22a von Kontaktflächen 21 und 22 des elektronischen Bauelements 20 kontaktiert sowie mit der Unterseite 12b der zweiten Druckkontakteinrichtung 12 auf einem ersten Träger 30 und ferner mit der Oberseite 11b der ersten Druckkkontakteinrichtung 11 auf einem zweiten Trä ger 31 mechanisch fixiert und dort kontaktiert. Die Träger 30, 31 können z. B. Spannelemente einer Scheibenzellenanord nung sein.In operation, the pressure contact assembly 10 according to the invention between a first pressure contact means 11 and ei ner second pressure contact device 12 is mounted an electronic component 20 and through between the Druckkon clock means 11 and 12 acting mechanical forces F1 and F2, which shown as arrows in Figs. 1 to 3 are contacted with contact areas 21 a and 22 a of contact surfaces 21 and 22 of the electronic component 20 and with the underside 12 b of the second pressure contact device 12 on a first carrier 30 and also with the top 11 b of the first pressure contact device 11 on a second carrier 31 mechanically fixed and contacted there. The carrier 30 , 31 can, for. B. tensioning elements of a disc cell arrangement.
Zwischen den Kontaktflächen 21, 22 oder Kontakten des elek tronischen Bauelements 20 ist als zentraler Bereich die ei gentliche Bauteileinheit 23 ausgebildet. An den Rändern der Oberseite des elektronischen Bauelements 20, das heißt im Randbereich der oberen Kontaktfläche 21, können sogenannte Passivierungsschichten 24 ausgebildet sein.Between the contact surfaces 21 , 22 or contacts of the electronic component 20 , the actual component unit 23 is formed as a central area. So-called passivation layers 24 can be formed on the edges of the upper side of the electronic component 20 , that is to say in the edge region of the upper contact surface 21 .
Erfindungsgemäß sind die Druckkontakteinrichtungen 11 und 12 so ausgebildet, daß die auf den Kontaktflächen 21 und 22 durch Kontakt mit der ersten und zweiten Druckkontakteinrich tung 11 und 12 gebildeten Kontaktbereiche 21a und 22a mitein ander kongruent koinzidieren, was durch die entsprechenden gestrichelten Fluchtlinien 25 angedeutet ist. Das heißt, die Kontaktbereiche 21a und 22a sind etwa gleich in Fläche und Form, und sie stehen sich deckungsgleich und bündig gegen über.According to the invention, the pressure contact devices 11 and 12 are designed such that the device formed on the contact surfaces 21 and 22 by contact with the first and second Druckkontakteinrich device 11 and 12 contact areas 21 a and 22 a coincident with each other, which is indicated by the corresponding dashed escape lines 25 is. That is, the contact areas 21 a and 22 a are approximately the same in area and shape, and they are congruent and flush against each other.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen besitzen erste und zweite Druckkontakteinrichtungen 11 und 12, die sich von ihrer Grundfläche her zunächst grundsätzlich unter scheiden. Zur Flächenanpassung der zweiten Druckkontaktein richtung 12 an die erste Druckkontakteinrichtung 11 ist ein sogenanntes Zwischenstück 40 ausgebildet, welches in etwa ei ne Querschnittsfläche aufweist, welche der Querschnittsfläche der ersten Druckkontakteinrichtung 11 entspricht, so daß sich gerade die oben beschriebenen Verhältnisse der Kontakt bereiche 21a und 22a der Kontaktflächen 21 und 22 des elek tronischen Bauelements 20 ergeben.The embodiments shown in FIGS. 1 to 3 have first and second pressure contact devices 11 and 12 , which differ fundamentally from their base area. To adapt the area of the second pressure contact device 12 to the first pressure contact device 11 , a so-called intermediate piece 40 is formed, which has approximately ei ne cross-sectional area, which corresponds to the cross-sectional area of the first pressure contact device 11 , so that just the above-described relationships of the contact areas 21 a and 22 a of the contact surfaces 21 and 22 of the electronic component 20 result.
Die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 unterscheiden sich nun ausschließlich im Hinblick auf die Ausgestaltung des Zwischenstücks 40 in bezug auf die erste und zweite Druckkon takteinrichtung 11 und 12 und in bezug auf das elektronische Bauelement 20.The embodiments of FIGS. 1 to 3 differ only with regard to the configuration of the intermediate piece 40 in relation to the first and second Druckkon contact devices 11 and 12 and in relation to the electronic component 20th
In der Ausführungsform der Fig. 1 ist das Zwischenstück 40 als integraler Bestandteil der zweiten Druckkontakteinrich tung 12 ausgebildet. Die Unterseite 12b der zweiten Druckkon takteinrichtung 12 stützt sich auf dem Träger 30 ab und be sitzt eine relativ große Querschnittsfläche. Die Quer schnittsfläche des Zwischenstücks 40 entspricht der Quer schnittsfläche der ersten Druckkontakteinrichtung 11. Das Zwischenstück 40 ist zentral als eingeschnürter Bereich der zweiten Druckkontakteinrichtung 12 ausgebildet.In the embodiment of FIG. 1, the intermediate piece 40 is formed as an integral part of the second Druckkontakteinrich device 12 . The underside 12 b of the second Druckkon contact device 12 is supported on the carrier 30 and be sits a relatively large cross-sectional area. The cross-sectional area of the intermediate piece 40 corresponds to the cross-sectional area of the first pressure contact device 11 . The intermediate piece 40 is formed centrally as a constricted area of the second pressure contact device 12 .
Bei der Ausführungsform der Fig. 2 dagegen ist das Zwischen stück 40 als separates Element, zum Beispiel als nachrüstba res Teil, zwischen der zweiten Druckkontakteinrichtung 12 und der unteren, zweiten Kontaktfläche 22 des elektronischen Bau elements 20 angeordnet.In the embodiment of FIG. 2, however, the intermediate piece 40 is arranged as a separate element, for example as a retrofit part, between the second pressure contact device 12 and the lower, second contact surface 22 of the electronic component 20 .
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 schließlich ist das Zwi schenstück 40 als integraler Bestandteil des Bereichs der zweiten Kontaktfläche 22, zum Beispiel der entsprechenden Me tallisierungsschicht, zum Beispiel einer Emitter- oder Kol lektormetallisierung eines IGBTs, ausgebildet.Finally, in the embodiment of FIG. 3, the intermediate piece 40 is formed as an integral part of the region of the second contact surface 22 , for example the corresponding metalization layer, for example an emitter or collector metallization of an IGBT.
Die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen zweiten, oberen Träger 31, welcher an der Oberseite 11b der ersten, oberen Druckeinrichtung 11 angeordnet ist. Eine sol che Anordnung ist z. B. bei einem Scheibenzellenaufbau vor teilhaft. Dort wird dann das Bauteil 20 durch Einspannen zwi schen den Trägern 30 und 31 quasi gebildet, wobei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Druckeinrichtungen 11 und 12 mit Zwischenstück 40 die Drucksymmetrisierung erreicht wird.The embodiments of FIGS. 1 to 3 each show a second, upper carrier 31 , which is arranged on the top 11 b of the first, upper printing device 11 . Such an arrangement is such. B. in a disk cell structure before geous. There, the component 20 is then quasi formed by clamping between the carriers 30 and 31 , the pressure symmetrization being achieved by the inventive design of the printing devices 11 and 12 with the intermediate piece 40 .
Andererseits kann einer der Träger 30, 31 auch als Platine, Schaltungssubstrat oder dergleichen ausgebildet sein, gegen welche der andere Träger das Bauteil 20 im Betrieb andrückt.On the other hand, one of the carriers 30 , 31 can also be designed as a circuit board, circuit substrate or the like, against which the other carrier presses the component 20 during operation.
Die Fig. 4 zeigt in Form einer teilweise geschnittenen sche matischen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfin dungsgmemäßen Druckkontaktanordnung im Betrieb eines soge nannten Scheibenzellenaufbaus 50. Fig. 4 shows in the form of a partially sectioned cal matic side view of an embodiment of the inven tion proper pressure contact arrangement in the operation of a so-called disk cell assembly 50 .
Bei diesem Scheibenzellenaufbau 50 ist die eigentliche erfin dungsgemäße Druckkontaktanordnung zwischen zwei Scheiben 51 und 57 angeordnet, welche im Betrieb den oberen Träger 31 bzw. den unteren Träger 30 bilden. Zwischen den Trägern 30, 31 bzw. den Scheiben 51, 57 ist eine Mehrzahl gleichartiger Bauelemente 20, hier insbesondere in Form identischer IGBT- Chips 54 aufgenommen, wobei diese Chips 54 auf ihrer Ober seite von einer gemeinsamen, strukturieren Druckkontaktplatte 53, welche podestartige Strukturen 52 aufweist, auf ihrer Un terseite mit Druckstücken 55 und entsprechenden elektrischen Isolationsrähmchen 56 eingespannt werden.In this disk cell assembly 50 , the actual pressure contact arrangement according to the invention is arranged between two disks 51 and 57 , which form the upper support 31 and the lower support 30 during operation. A plurality of similar components 20 , here in particular in the form of identical IGBT chips 54 , is accommodated between the carriers 30 , 31 or the disks 51 , 57 , these chips 54 on their upper side by a common, structured pressure contact plate 53 , which have platform-like structures 52 has, are clamped on their underside with pressure pieces 55 and corresponding electrical insulation frames 56 .
Die Druckkontaktplatte 53 bildet somit eine gemeinsame, ein
stückige erste Druckkontakteinrichtung 11 im Sinne der Erfin
dung. Dabei sind die podestartigen Strukturen 52 als die ent
sprechenden Zwischenstücke 40 anzusehen, die der Drucksymme
triesierung dienen. Entsprechend bilden die Druckstücke 55
auf der Unterseite entsprechend die zweiten Druckkontaktein
richtungen 12 der erfindungsgemäßen Druckkontaktanordnung.
Insgesamt gesehen ergibt sich im Hinblick auf die Ausfüh
rungsform der Fig. 5 folgendes Bild:
Es ist eine äußere, kollektorseitige Druckplatte 51 vorgese
hen, welche zur mechanischen Aufnahme der Druckkontaktanord
nung dient. Im Sinne der Erfindung wird unter den parallel
angeordneten - hier 21 - IGBT-Chips eine gemeinsame und
strukturierte Druckkontaktplatte 53 eingebaut, wobei unter
jedem der 21 vorgesehenen IGBT-Chips eine podestartige Struk
tur 52 als Zwischenstück 40 ausgebildet ist, die jeweils in
Fläche und Positionierung dem gegenüberliegenden unteren
Druckstück 55 möglichst gut entspricht. Unterhalb der IGBT-
Chips 54 sind auch sogenannte Randpassivierungen in Form
emitterseitiger Isolationsrahmen ergänzt. Die Emitter der
IGBT-Chips 54 selbst sind durch emitterseitige Druckstücke 55
kontaktiert, welche die jeweils zweiten Druckkontakteinrich
tungen 12 bilden.The pressure contact plate 53 thus forms a common, one-piece first pressure contact device 11 in the sense of the inven tion. The platform-like structures are considered as the 52 ent speaking intermediate pieces 40, which serve to Drucksymme triesierung. Correspondingly, the pressure pieces 55 on the underside correspondingly form the second pressure contacts 12 of the pressure contact arrangement according to the invention. Overall, the following picture results with regard to the embodiment of FIG. 5:
There is an outer, collector-side pressure plate 51 , which serves to mechanically accommodate the pressure contact arrangement. In the sense of the invention, a common and structured pressure contact plate 53 is installed under the parallel - here 21 - IGBT chips, a platform-like structure 52 being formed as an intermediate piece 40 under each of the 21 provided IGBT chips, each in area and positioning corresponds as well as possible to the opposite lower pressure piece 55 . So-called edge passivations in the form of emitter-side isolation frames are also added below the IGBT chips 54 . The emitters of the IGBT chips 54 themselves are contacted by pressure elements 55 on the emitter side, which form the respective second pressure contacts 12 .
Das Ensemble aus IGBT-Chips 54, Isolationsrähmen 56 und Druckstücken 55 wird jeweils in einem Halterahmen aus Kunst stoff vormontiert, welcher in der Fig. 4 nicht dargestellt ist.The ensemble of IGBT chips 54 , insulation frames 56 and pressure pieces 55 is preassembled in a plastic holding frame, which is not shown in FIG. 4.
Als Material für das untere Druckstück 55 und für die struk turierte Kontaktplatte 53 wird Molybdän verwendet. Die Kon takt- und Druckplatte 57 auf der Emitterseite der IGBT-Chips 54 ist im Inneren der Scheibenzelle 50 vorstrukturiert und besitzt sogenannte Dome, welche auf die emitterseitigen Druckstücke 55 oder zweiten Druckkontakteinrichtungen 12 drücken und diese so kontaktieren.Molybdenum is used as the material for the lower pressure piece 55 and for the structured contact plate 53 . The con tact and pressure plate 57 on the emitter side of the IGBT chips 54 is pre-structured in the interior of the disk cell 50 and has so-called domes which press on the emitter-side pressure pieces 55 or second pressure contact devices 12 and thus contact them.
Im Randbereich 58 befindet sich eine Anordnung, welche sowohl die Gewährleistung mechanischer Festigkeit als auch der not wendigen Isolationsstrecke dient.In the edge area 58 there is an arrangement which serves both to ensure mechanical strength and the necessary maneuverable insulation section.
Bemerkenswert an der in Fig. 4 gezeigten Anordnung der Paral lelschaltung von 21 IGBT-Chips 54 ist, dass durch diese ein Unterschied in der Abschaltfähigkeit der Anordnung der IGBT- Chips 54 von nahezu 50% nachgewiesen werden kann. In einer solchen Anordnung sind abschaltbare Ströme bis in dem Bereich oberhalb von 2000 A realisierbar.It is remarkable about the arrangement of the parallel circuit of 21 IGBT chips 54 shown in FIG. 4 that a difference in the switch-off capability of the arrangement of the IGBT chips 54 of almost 50% can be demonstrated. In such an arrangement, currents which can be switched off can be implemented in the range above 2000 A.
Die Fig. 5 zeigt ebenfalls in einer geschnittenen Seitenan sicht eine herkömmliche Druckkontaktanordnung im Betrieb. Bei dieser herkömmlichen Druckkontaktanordnung weisen die erste Druckkontakteinrichtung 110 und die zweite Druckkontaktein richtung 120 miteinander nicht koinzidierende und überein stimmende Querschnittsflächen aus, so daß im Betrieb in Kon takt mit dem elektronischen Bauelement 200 ebenfalls Kontakt bereiche 210a und 220a der Kontaktflächen 210 und 220 entste hen, die nicht miteinander übereinstimmen, so daß sich in den durch die gestrichelten Linien 250 gekennzeichneten Bereiche mechanische Asymmetrien bei der Anwendung der entsprechenden Drucke im Innern des elektronischen Bauelements 200 ergeben, welche durch die erfindungsgemäßen Anordnungen, welche in den Fig. 1 bis 3 gezeigt sind, vermieden werden. Fig. 5 also shows a sectional Seitenan view of a conventional pressure contact arrangement in operation. In this conventional pressure contact arrangement, the first pressure contact device 110 and the second pressure contact device 120 have mutually non-coinciding and matching cross-sectional areas, so that during operation in contact with the electronic component 200 , contact areas 210 a and 220 a of the contact surfaces 210 and 220 also arise hen, which do not coincide with each other, so that there are mechanical asymmetries in the areas indicated by the dashed lines 250 when using the corresponding pressures inside the electronic component 200 , which are caused by the arrangements according to the invention, which are shown in FIGS. 1 to 3 are avoided.
Die oben beschriebene Vorgehensweise bei der erfindungsgemä ßen Druckkontaktanordnung bzw. der erfindungsgemäßen Verwen dung der Druckkontaktanordnung kann im Rahmen des Aufbaus von Schaltungsanordnungen mit Druckkontaktbauelementen, insbeson dere in der Leistungselektronik, sowohl in der Modulmontage als auch in der Montage im Rahmen einer Scheibenzelle verwen det werden.The procedure described above for the essen pressure contact arrangement or the use of the invention extension of the pressure contact arrangement can be used in the construction of Circuit arrangements with pressure contact components, in particular others in power electronics, both in module assembly as well as in the assembly within a disc cell be det.
In beiden Fällen wird dabei ein Leistungshalbleiterbauelement zwischen zwei Kontaktplatten in der erfindungsgemäßen Art und Weise eingespannt. Die Kontaktplatten werden im Betrieb unter einem hohen Druck von typischerweise 3 bar/cm2 aneinander ge preßt, so daß sich die Kontaktwiderstände zwischen den Kon taktplatten oder Kontakteinrichtungen und der jeweiligen Oberseite oder Unterseite des elektronischen Bauelements aus reichend verringern lassen. Der durch das Leistungshalblei terbauelement geführte Laststrom fließt im wesentlichen in axialer Richtung, das heißt in den in den Fig. 1 bis 3 ausge führten Beispielen in Richtung von oben nach unten oder von unten nach oben.In both cases, a power semiconductor component is clamped between two contact plates in the manner according to the invention. The contact plates are pressed together in operation under a high pressure of typically 3 bar / cm 2 , so that the contact resistances between the contact plates or contact devices and the respective top or bottom of the electronic component can be sufficiently reduced. The load current conducted through the power semiconductor component flows essentially in the axial direction, that is to say in the examples shown in FIGS . 1 to 3, in the direction from top to bottom or from bottom to top.
Anwendbar ist die beschriebene erfindungsgemäße Druckkontak tanordnung bei insbesondere großflächigen Bauteilen, zum Bei spiel Thyristoren, Dioden, IGBTs oder dergleichen. Insbeson dere bei den IGBTs läßt sich erfindungsgemäß nunmehr ein Be triebsstrom von über 1.000 Ampere, insbesondere in Parallel schaltung mit weiteren Bauteilen, realisieren. Und gerade bei den IGBTs, welche ja feldgesteuerte Schalter darstellen, las sen sich erfindungsgemäß die beim Stand der Technik auftre tenden druckabhängigen Phänomene und Probleme, vermeiden, wo durch ein besonders sicherer, verschleißfreier und zuver lässiger Betrieb ermöglicht wird.The pressure contact according to the invention described can be used Arrangement in particular for large components, for example play thyristors, diodes, IGBTs or the like. Insbeson the IGBTs can now be a Be drive current of over 1,000 amperes, especially in parallel circuit with other components. And especially with IGBTs, which are field-controlled switches, read sen according to the invention occur in the prior art tend pressure-dependent phenomena and problems, avoid where thanks to a particularly safe, wear-free and reliable casual operation is made possible.
In der Anwendung wird die Unterseite, in der Regel die Kol lektorseite, zum Beispiel eines IGBTs, auf eine zusammenhän gende, flächige, unstrukturierte Kontaktscheibe gelegt, wobei auch mehrere IGBTs oder andere Halbleiterchips nebeneinander angeordnet werden können. Die Oberseite, in der Regel die Emitterseite, jedes einzelnen Chips wird dabei in herkömmli cher Weise mit einem Druckstempel kontaktiert, wobei dessen Auflagefläche gerade der zu kontaktierenden Fläche ent spricht. Herkömmlicherweise ist die kontaktierbare Fläche kleiner als die Gesamtfläche des Chips, weil sich im Randbe reich, gerade der Oberseite, stets eine Passivierungsschicht befindet, sowie das auch in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist.In application, the underside, usually the collector side, for example of an IGBT, is placed on a coherent, flat, unstructured contact disk, and several IGBTs or other semiconductor chips can also be arranged side by side. The upper side, usually the emitter side, of each individual chip is contacted in a conventional manner with a pressure stamp, the contact surface of which corresponds to the surface to be contacted. Conventionally, the contactable area is smaller than the total area of the chip, because there is always a passivation layer in the edge region, particularly the upper side, and this is also shown in FIGS. 1 to 3.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung gemäß Fig. 4 ist deutlich zu erkennen, daß dem Druck, welcher auf die gesamte Unterseite des Bauteils 200 wirkt, auf der Ober seite nur ein eingeschränkter Druck im zentralen Bereich, nämlich im Kontaktbereich 210a entgegensteht. Dies bewirkt gerade die Asymmetrie und die Inhomogenität in bezug auf die Druckverteilung im Inneren des Bauelements 200, insbesondere im Bereich 250.In the arrangement known from the prior art according to FIG. 4 it can clearly be seen that the pressure which acts on the entire underside of the component 200 on the upper side is only a limited pressure in the central area, namely in the contact area 210 a , This causes the asymmetry and the inhomogeneity in relation to the pressure distribution in the interior of the component 200 , in particular in the region 250 .
Aus theoretischen Überlegungen, Simulationen und auch Messun gen ergibt sich, daß sich bei der Anordnung gemäß Fig. 4 In homogenitäten im Inneren druckbedingten Spannungsfeld des elektronischen Bauelements ergeben. Gerade in den gestrichelt gekennzeichneten Bereichen 250 finden stufenförmige Änderun gen der Druckverhältnisse statt, wodurch sich ebenfalls Ände rungen hinsichtlich der mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften in den Bereichen 250 der elektro nischen Bauelemente 200 bei der Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 4 ergeben. Experimentelle Voruntersuchun gen haben gezeigt, daß die Inhomogenitäten bezüglich der phy sikalischen Eigenschaften der gespannten Bauteile - insbeson dere eines IGBTs - den Betrieb der elektronischen Bauelemente bei herkömmlichen Anordnungen deutlich beeinträchtigen kön nen.From theoretical considerations, simulations and measurements, it follows that the arrangement according to FIG. 4 results in pressure-related stress fields of the electronic component in the interior. Precisely in the areas 250 indicated by dashed lines, step-like changes in the pressure conditions take place, which also changes with regard to the mechanical, thermal and / or electrical properties in the areas 250 of the electronic components 200 in the arrangement from the prior art according to FIG. 4 result. Experimental preliminary examinations have shown that the inhomogeneities with regard to the physical properties of the clamped components - in particular an IGBT - can significantly impair the operation of the electronic components in conventional arrangements.
Letztendlich ist ein IGBT ein feldgesteuerter Leistungsschal ter, der es ermöglicht, hohe elektrische Ströme bei besonders geringer Steuerleistung zu schalten. Wesentliches Merkmal bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines IGBTs ist der maximal abschaltbare Strom, welcher noch geschaltet werden kann, ohne daß das Bauteil durch die im Moment des Abschal tens entstehende Belastung zerstört wird. Durch eine genaue Analyse des Ausfallmechanismus elektronischer Bauelemente, welche unter Verwendung einer herkömmlichen Druckkontak tanordnung druckkontaktiert wurden, wurden die erfindungsge mäßen Maßnahmen motiviert. Ultimately, an IGBT is a field-controlled power scarf ter, which makes it possible to handle high electrical currents in particular to switch low control power. Essential feature at The assessment of the performance of an IGBT is the maximum current that can be switched off can, without the component by the moment of the shutdown least the resulting load is destroyed. By an exact Analysis of the failure mechanism of electronic components, which using a conventional pressure contact tanagement were pressure contacted, the Invention measures are motivated.
Insbesondere die Vorgehensweisen gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 ergeben eine im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhaftere Einstellung der Druckverhältnisse im elektronischen Bauelement 20. Hierbei liegen insbesondere symmetrisch zueinander angeordnete Druckflächen auf der Un ter- und Oberseite des elektronischen Bauelements, insbeson dere eines IGBTs, vor. Der Randbereich des Chips oder des elektronischen Bauelements wird dadurch besonders stark druckentlastet. Um diese Entlastung des Randbereichs beidsei tig zu erreichen, wird der Druck auch auf der Unterseite nur in einem reduzierten Bereich beaufschlagt. Das heißt, das elektronische Bauelement 20, liegt erfindungsgemäß nicht mehr mit seiner gesamten Grundfläche auf, sondern es wird eine entsprechende Flächenanpassung durch das Zwischenstück 40 realisiert. Der untere Auflagebereich sollte flächenmäßig mit dem oberen Kontaktbereich 21a möglichst übereinstimmen. Gute Ergebnisse können auch erzielt werden, wenn der untere Kon taktbereich 22a etwas kleiner ausgebildet ist als der obere Kontaktbereich 21a. Diese Maßnahme kann zum Ausgleich ent sprechender Toleranzen in den physikalischen Parametern aus genutzt werden.In particular, the procedures according to the embodiments in FIGS. 1 to 3 result in a setting of the pressure conditions in the electronic component 20 that is more advantageous than in the prior art. In this case, there are in particular symmetrically arranged printing areas on the underside and top of the electronic component, in particular an IGBT. The edge area of the chip or the electronic component is relieved of pressure particularly strongly. To achieve this relief on both sides of the edge area, the pressure on the underside is only applied in a reduced area. This means that the electronic component 20 no longer lies with its entire base area according to the invention, but a corresponding area adaptation is implemented by the intermediate piece 40 . In terms of area, the lower contact area should match the upper contact area 21 a as far as possible. Good results can also be achieved if the lower contact area 22 a is somewhat smaller than the upper contact area 21 a. This measure can be used to compensate for corresponding tolerances in the physical parameters.
In der Anwendung kann die Reduzierung der effektiven Kontakt bereiche 22a auf der Unterseite des elektronischen Bauele ments 20 auf mehrere Arten und Weisen bewerkstelligt werden. Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, kann entweder ein Zwi schenstück oder Druckstück von vergleichbarer Fläche wie der obere Kontaktbereich 21a, zentral unter den Chip des elektro nischen Bauelements 20 montiert werden, wie das in der Fig. 2 gezeigt ist.In use, the reduction of the effective contact areas 22 a on the underside of the electronic component 20 can be accomplished in several ways. As shown in FIGS . 1 to 3, either an inter mediate or pressure piece of comparable area as the upper contact area 21 a can be mounted centrally under the chip of the electronic component 20 , as shown in FIG. 2.
Die Fig. 1 zeigt dagegen eine Anordnung, bei welcher das Zwi schenstück 40, in Form eines Podests in die untere, zweite Druckkontakteinrichtung 12 einstückig und/oder einteilig ein gearbeitet ist. Diese Maßnahme ist insbesondere bei einer An ordnung aus mehreren Einzelchips, welche parallel montiert und verschaltet werden, rationeller, weil weniger Einzelteile benötigt werden.In contrast, Fig. 1 shows an arrangement in which the rule interim piece 40, is a work of a pedestal in the lower second pressure contact device 12 in one piece and / or in one piece into shape. This measure is more efficient, in particular when there is an arrangement of several individual chips which are mounted and connected in parallel, because fewer individual parts are required.
Andererseits ergibt sich auch eine sinnvolle Struktur, näm lich gemäß Fig. 3, wenn die podestartigen Zwischenstücke 40 einstückig und/oder einteilig mit der jeweiligen Unterseite, nämlich der zweiten Kontaktfläche 22, des elektronischen Bau elements 20, insbesondere des IGBTs, eingearbeitet ist. Diese Vorgehensweise gemäß Fig. 3 ist deshalb besonders vorteil haft, weil hierdurch wohl die exakteste Kontaktierung er reicht wird, was besonders empfehlenswert ist, wenn die To leranzen, welche bei den Montagen gemäß der Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2, zu groß sind, um eine Druckentlastung des jeweiligen Randbereichs ausreichend zu gewährleisten. On the other hand, there is also a meaningful structure, namely according to FIG. 3, if the platform-like intermediate pieces 40 are integrated in one piece and / or in one piece with the respective underside, namely the second contact surface 22 , of the electronic component 20 , in particular the IGBT. This procedure according to FIG. 3 is particularly advantageous because it will probably be the most accurate contact, which is particularly recommended if the tolerances, which are too large in the assemblies according to the embodiments according to FIGS. 1 and 2, to ensure sufficient pressure relief of the respective edge area.
1010
Druckkontaktanordnung
Pressure contact arrangement
1111
erste Druckkontakteinrichtung
first pressure contact device
1111
b Oberseite
b top
1212
zweite Druckkontakteinrichtung
second pressure contact device
1212
b Unterseite
b bottom
2020
elektronisches Bauelement
electronic component
2121
erste Kontaktfläche
first contact area
2121
a erster Kontaktbereich
a first contact area
2222
zweite Kontaktfläche
second contact area
2222
a zweiter Kontaktbereich
a second contact area
2323
zentraler Bereich, zentrale Bauteileinheit
central area, central component unit
2424
Randbereich, Passivierungsschicht
Edge area, passivation layer
2525
Fluchtlinie
alignment
3030
Träger
carrier
3131
Träger
carrier
4040
Zwischenstück
connecting piece
5050
Scheibenzellenanordnung
Disc cell arrangement
5151
obere, kollektorseitige Druckplatte
upper, collector-side pressure plate
5252
podestartige Struktur
platform-like structure
5353
strukturierte Druckkontaktplatte
structured pressure contact plate
5454
IGBT-Chip
IGBT chip
5555
emitterseitiges Druckstück
emitter-side pressure piece
5656
Isolationsrahmen
insulating frame
5757
emitterseitige Kontakt-/Druckplatte
emitter-side contact / pressure plate
5858
Randbereich
border area
100100
herkömmliche Druckkontaktanordnung
conventional pressure contact arrangement
110110
erste Druckkontakteinrichtung
first pressure contact device
120120
zweite Druckkontakteinrichtung
second pressure contact device
200200
elektronisches Bauelement
electronic component
210210
erste Kontaktfläche
first contact area
210210
a erster Kontaktbereich
a first contact area
220220
zweite Kontaktfläche
second contact area
220220
a zweiter Kontaktbereich
a second contact area
230230
zentraler Bereich
central area
240240
Randbereich, Passivierungsschicht
Edge area, passivation layer
250250
Bereich asymmetrischen Drucks
Asymmetric pressure range
300300
Träger
carrier
400400
Zwischenstück
connecting piece
Claims (16)
eines mindestens erste und zweite sich im wesentlichen gegen überliegende Kontaktflächen (21, 22) aufweisenden elektroni schen Bauelements (20),
welche mindestens eine erste und eine zweite Druckkontaktein richtung (11, 12) aufweist, die ausgebildet sind, im Betrieb der Druckkontaktanordnung (10) zumindest mit Kontaktbereichen (21a, 22a) der ersten bzw. zweiten Kontaktfläche (21, 22) des elektronischen Bauelements (20) mechanisch und elektrisch verbunden zu werden, um mindestens einen Teil des elektroni schen Bauelements (20) unter Anwendung eines mechanischen Drucks zwischen den Kontakteinrichtungen (11, 12) zwischen sich aufzunehmen, mechanisch zu haltern und einen elektri schen Kontakt der jeweiligen Kontakteinrichtungen (11, 12) mit der jeweiligen Kontaktfläche (21, 22) des elektronischen Bauelements auszubilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckkontakteinrichtungen (11, 12) zur Ausbildung ei ner im wesentlichen symmetrischen, gleichmäßigen und/oder ho mogenen Druckverteilung im elektronischen Bauelement (20) ausgelegt sind, insbesondere zumindest zwischen den zwischen den Druckkontakteinrichtungen (11, 12) aufgenommenen Kontakt bereichen (21a, 22a) der Kontaktflächen (21, 22) des elektro nischen Bauelements (20).1. Pressure contact arrangement for pressure contacting at least
an electronic component ( 20 ) having at least first and second essentially opposite contact surfaces ( 21 , 22 ),
which has at least a first and a second Druckkontaktein direction ( 11 , 12 ), which are formed during operation of the pressure contact arrangement ( 10 ) at least with contact areas ( 21 a, 22 a) of the first and second contact surface ( 21 , 22 ) of the electronic Component ( 20 ) to be mechanically and electrically connected to mechanically hold at least a portion of the electronic component ( 20 ) using a mechanical pressure between the contact devices ( 11 , 12 ) between them and to hold an electrical contact between the respective contact devices ( 11 , 12 ) with the respective contact surface ( 21 , 22 ) of the electronic component,
characterized by
that the pressure contact devices ( 11 , 12 ) are designed to form a substantially symmetrical, uniform and / or ho mogeneous pressure distribution in the electronic component ( 20 ), in particular at least between the areas recorded between the pressure contact devices ( 11 , 12 ) contact areas ( 21 a , 22 a) of the contact surfaces ( 21 , 22 ) of the electronic component ( 20 ).
wobei im Betrieb insbesondere die erste Druckkontaktein richtung (11) dem einen Träger (31), die zweite Druckkon takteinrichtung (12) dem anderen Träger (30) zugewandt ange ordnet ist und/oder
wobei im Betrieb des weiteren insbesondere die zweite Kon taktfläche (21) des Bauelements (20) dem einen Träger (31) und die erste Kontaktfläche (22) des Bauelements (20) jeweils dem anderen Träger (30) zugewandt angeordnet ist.9. Pressure contact arrangement according to one of the preceding claims, which is designed to hold, clamp and / or contact the electronic component ( 20 ) between two carriers ( 30 , 31 ), in particular mechanically by pressure, during operation,
in operation, in particular the first Druckkontaktein direction ( 11 ) one carrier ( 31 ), the second Druckkon contact device ( 12 ) facing the other carrier ( 30 ) is arranged and / or
wherein in operation further in particular the second contact surface ( 21 ) of the component ( 20 ) one carrier ( 31 ) and the first contact surface ( 22 ) of the component ( 20 ) are each arranged facing the other carrier ( 30 ).
welche zur Druckkontaktierung einer Mehrzahl, insbesondere im wesentlichen gleichartiger, gleichwirkender und/oder parallel zu verschaltender, elektronischer Bauelemente (20) ausgebil det ist und
bei welcher dazu insbesondere eine entsprechende Mehrzahl von ersten und zweiten Druckkontakteinrichtungen (11, 12) und/oder eine entsprechende Mehrzahl von Zwischenstücken (40) vorgesehen ist.13. Pressure contact arrangement according to one of the preceding claims,
which is designed for pressure contacting a plurality, in particular essentially of the same type, having the same function and / or being connected in parallel, electronic components ( 20 ) and
in which, in particular, a corresponding plurality of first and second pressure contact devices ( 11 , 12 ) and / or a corresponding plurality of intermediate pieces ( 40 ) are provided.
welche zur Druckkontaktierung einer Mehrzahl, insbesondere im wesentlichen gleichartiger, gleichwirkender und/oder parallel zu verschaltender, elektronischer Bauelemente (20) ausgebil det ist und
bei welcher dazu insbesondere jeweils eine gemeinsame erste und/oder eine gemeinsame zweite Druckkontakteinrichtung (11, 12) ausgebildet sind, vorzugsweise aus Molybdän und/oder je weils einteilig oder einstückig, welche insbesondere jeweils daran eine entsprechende Mehrzahl einteilig oder einstückig angebrachter Zwischenstücke (40) aufweisen.14. Pressure contact arrangement according to one of claims 1 to 12,
which is designed for pressure contacting a plurality, in particular essentially of the same type, having the same function and / or being connected in parallel, electronic components ( 20 ) and
in which, in particular, a common first and / or a common second pressure contact device ( 11 , 12 ) are formed, preferably made of molybdenum and / or in each case in one piece or in one piece, which in particular each have a corresponding plurality of one-piece or one-piece attachments ( 40 ) exhibit.
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