DE10101086A1 - Leistungshalbleiter-Moduleinheit - Google Patents

Leistungshalbleiter-Moduleinheit

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Abstract

Eine Leistungs-Moduleinheit für Niederspannungsanwendungen ist ohne isolierendes Metallsubstrat ausgebildet. Die Moduleinheit schließt ein Leistungsgehäuse (50) und eine Anzahl von Leiterrahmen ein, die jeweils leitende Anschlußflächenbereiche (30, 31, 32, 33, 34) einschließen, auf denen ein oder mehrere MOSFET-Bauteile S1 bis S6 elektrisch befestigbar sind. Die MOSFET-Bauteile sind elektrisch miteinander über Drahtkontaktierungen (40, 41) verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleiter-Moduleinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Leistungshalbleiter-Moduleinheiten sind gut bekannt und werden in weitem Umfang verwendet. Typischerweise ist eine Vielzahl von Halbleiterplättchen, wie z. B. Halbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung, Thyristoren oder Dioden in verschiedenen Kombinationen, auf einem Substrat-Kühlkörper befestigt, wie z. B. einem IMS (isoliertes Metallsubstrat) oder einem anderen Substrat, und die Halbleiterplättchen sind elektrisch über das Substrat und/oder über Drahtkontaktierungen miteinander verbunden, um eine spezielle Schaltung zu bilden. Eine gedruckte Leiterplatte, die Kleinleistungs-Steuerbauteile enthält, wird ebenfalls von der Moduleinheit gehaltert. Leistungs- und Steueranschlüsse können sich dann von einem Isoliergehäuse aus erstrecken, das das Substrat trägt.
Substrate, die zur Aufnahme der Leistungshalbleiterplättchen verwendet werden, tragen zu einem beträchtlichen Teil zu den Kosten der Leistungs-Moduleinheiten bei, und sie werden daher auf die kleinstmögliche Fläche beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten derartiger Moduleinheiten zu verringern, während gleichzeitig eine geeignete Wärmeabfuhr und elektrische Isolation erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Leistungshalbleiter-Moduleinheit ist insbesondere für eine Dreiphasen-Inverter-Moduleinheit geeignet, die kein Substrat für die Leistungshalb­ leiter-Plättchen aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Halbleiterplättchen direkt auf Leiterrahmenansätzen eines Leiterrahmens befestigt, der durch Einsatzformung in dem Modul-Isoliergehäuse eingeformt und von diesem gehaltert ist. Eine wärmeleitende Isolierschicht liegt unter den Leiterrahmenelementen, um diese von einer Kühlkörperhalterung für die Moduleinheit zu isolieren. Es wird kein zusätzliches IMS oder ein anderes Substrat verwendet, wodurch die Kosten der Moduleinheit verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Moduleinheit eine Dreiphasen- Inverterschaltung für Fahrzeuganwendungen, beispielsweise für elektrische Servolenkungsmotoren, bilden. Es kann jedoch irgendeine andere gewünschte Schaltung ausgebildet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Leiterrahmen, der bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Leiterrahmens nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Moduleinheit, bevor deren Innenraum mit einem Isolierkunststoff abgedichtet wird,
Fig. 4 eine weitere perspektivische Ansicht der Ausführungsform der Moduleinheit, nachdem deren Innenraum gefüllt wurde,
Fig. 5 eine Draufsicht der Moduleinheit nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Seitenansicht der Fig. 5,
Fig. 7 eine Endansicht der Fig. 5,
Fig. 8 ein Schaltbild eines Beispiels einer Ausführungsform einer Modulschaltung, die durch die Moduleinheit gebildet werden kann.
Es wird zunächst auf Fig. 8 Bezug genommen, in der ein Beispiel für ein elektrisches Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung gezeigt ist, die für Fahrzeuganwendun­ gen geeignet ist, insbesondere für elektrische Servolenkungen. So sind die Anschlüsse 20 und 21 Gleichspannungsanschlüsse, die mit der Fahrzeugbatterie verbunden sein könnten, und Ausgangsanschlüsse U, V und W sind Dreiphasen-Ausgangsanschlüsse, die zur Leistungsversorgung von Wechselstrommotoren oder, mit geeigneter Gleichrichtung, von Gleichspannungsmotoren, wie bürstenlosen Gleichspannungs­ motoren verwendet werden könnten, die sich typischerweise in dem Fahrzeugsystem finden. Es ist eine übliche Dreiphasen-Inverterschaltung gezeigt. Ein ASIC-Bauelement und andere Steuerschaltungsbauteile für die MOSFETs S1 bis S6 können ebenfalls vorgesehen sein, um die Leistungs-MOSFETs S1 bis S6 in einer üblichen Folge zu betreiben. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Niederspannungs­ anwendungen geeignet. Die Halbleiterplättchen der vorliegenden Erfindung sind für eine Nennspannung von 30-75 Volt ausgelegt, und sie sind Halbleiterplättchen von der Größe 4,0 bis 6, wie sie von der Firma International Rectifier Corporation vertrieben werden. Es können auch höhere oder niedrigere Nennspannungen verwendet werden. Beispielsweise können Nennspannungen von bis zu 1000 Volt oder bis herunter zu 10 Volt verwendet werden.
Obwohl die Leistungs-MOSFETs S1 bis S6 als N-Kanal-Bauteile gezeigt sind, könnten auch komplementäre N- und P-Kanal-MOSFETs verwendet werden.
Bei üblichen Moduleinheiten wird die Schaltung nach Fig. 8 üblicherweise unter Verwendung von unverpackten MOSFET-Halbleiterplättchen gebildet, die auf einem IMS- oder DBC-Substrat befestigt und miteinander über das Substrat und Drahtkontaktierungen verbunden sind. Das Substrat würde dann in einem Isoliergehäuse befestigt, und Anschlüsse, wie z. B. die Anschlüsse 20, 21, U, V, W und G1 bis G6 würden sich über die Gehäuseoberfläche hinaus erstrecken, um für einen Anschluß zur Verfügung zu stehen.
Das zur Befestigung der Halbleiterplättchen in dem Gehäuse bei üblichen Modul­ einheiten verwendete Substrat ist aufwendig. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Substrat fortgelassen, wobei die Halbleiterplättchen direkt auf den Leiterrahmen-Verlängerungen der Anschlüsse befestigt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß irgendeine beliebige andere Schaltung als ein Inverter gebildet werden kann, und daß irgendeine Art von Halbleiterplättchen oder eine Mischung hiervon, wie z. B. N- und P-Kanal-MOSFETs oder IGBT-Bauteile, Dioden, Thyristoren und dergleichen, verwendet werden und die Vorteile der Erfindung ausnutzen kann. Die Fig. 1-7 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme der Dreiphasen-Inverterschaltung nach Fig. 3. Es sei darauf hingewiesen, daß die gleichen Bezugsziffern oder Buchstaben in allen Zeichnungen zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet werden.
Fig. 1 zeigt ein Segment eines langgestreckten leitenden, gestanzten Leiterrahmens, der bei der Erfindung verwendet werden kann. Es ist in üblicher Weise eine Vielzahl derartiger Segmente vorgesehen. Die verschiedenen Segmente des Leiterrahmens werden durch Stege zusammengehalten, die nach der Befestigung der Teile auf dem Leiterrahmen und der Drahtkontaktierung ausgestanzt werden, so daß die Leiterrahmensegmente vereinzelt werden. Eine Hälfte des Leiterrahmens ergibt die Anschlüsse U, V und W, die mit großen Anschlußflächenbereichen 30, 31 bzw. 32 verbunden sind. Diese Anschlußflächenbereiche 30, 31 und 32 nehmen die MOSFET- Halbleiterplättchen S4, S5 bzw. S6 auf. Die andere Hälfte des Leiterrahmens weist Anschlüsse 20 und 21 und einen gemeinsamen Drain-Anschlußflächenbereich 33 auf. Der Anschluß 21 ist weiterhin mit einem Source-Anschlußflächenbereich 34 verbunden. Die Halbleiterplättchen S1, S2 und S3 sind mit dem Anschlußflächenbereich 33 verbunden. Die Halbleiterplättchen S1 bis S6 sind MOSFET-Halbleiterplättchen mit vertikaler Stromleitung, die metallisierte untere Drain- Elektroden und obenliegende Source- und Gate-Elektroden aufweisen. Die untenliegenden Drain-Elektroden können durch Verlöten oder auf andere Weise, beispielsweise durch ein silbergefülltes leitendes Epoxy-Material mit den vergrößerten Leiterrahmen-Anschlußflächenbereichen 30, 31, 32 und 33 verbunden werden.
Nachdem die Halbleiterplättchen S1 bis S6 an ihrem Platz befestigt sind, können sie durch Drahtkontaktierungen verbunden werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, um die Schaltung nach Fig. 8 fertigzustellen. So verbinden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, die Source-Kontaktierungsdrähte 40 die Anschlußflächenbereiche 30, 31 und 32 mit den Source-Elektroden der Halbleiterplättchen S1, S2 bzw. S3, und Source- Kontaktierungsdrähte 41 verbinden die Source-Elektroden der Halbleiterplättchen S4, S5 und S6 mit dem Anschlußflächenbereich 34 und dem Gleichspannungsanschluß 21. Es sei bemerkt, daß diese Kontaktierungsverbindungen nach der Befestigung des Leiterrahmens in seinem Gehäuse hergestellt werden können.
Somit wird nach dem Verbinden der Halbleiterplättchen S1 bis S6 mit ihren verschiedenen Leiterrahmen-Anschlußflächenbereichen der Leiterrahmen durch Einsatzformung in einem Isoliergehäuse 50 angeordnet, und die Leiterrahmen- Überbrückungsabschnitte (außerhalb der gestrichelten Linie in Fig. 1) werden dann entfernt, um die Anschlußflächen voneinander zu trennen, und die Leiterrahmen werden vereinzelt.
Alternativ kann der Leiterrahmen als erstes durch Einsatzformung in dem Isoliergehäuse 50 angeordnet werden, worauf die Leiterrahmen- Überbrückungsabschnitte entfernt werden, wodurch die Anschlußflächen voneinander getrennt werden. Dann können die Halbleiterplättchen S1 bis S6 mit ihren verschiedenen Leiterrahmen-Anschlußflächenbereichen und über Drahtkontaktierungen miteinander verbunden werden.
In jedem Fall werden die Leiterrahmen durch das Gehäuse 50 gehaltert, nachdem der Leiterrahmen beschnitten wurde, wobei sich die Leiter U, V, W, 20 und 21 über den Umfang des Gehäuses 50 hinaus erstrecken. Das Gehäuse 50 kann vorzugsweise aus einem thermisch leitenden Isoliermaterial bestehen, das die leitenden Leiterrahmen- Anschlußflächenbereiche und einen Kühlkörper, auf dem die Moduleinheit befestigt werden kann, voneinander elektrisch isolieren kann. Das Gehäuse 50 muß jedoch nicht aus thermisch leitendem Material hergestellt werden, so daß die Kosten der Moduleinheit verringert werden. Beispielsweise kann das Gehäuse 50 aus einem "Questra"-Kunststoff hergestellt sein, das von der Firma DOW Chemical hergestellt wird, oder es kann aus einem geeigneten PPA hergestellt sein, wie es beispielsweise von der Firma Amoco unter dem Handelsnamen AMODEL vertrieben wird.
Das Gehäuse 50 hat Fenster 51, 52, 53 und 54, um die oberen Oberflächen der Anschlußflächen 32, 31, 30 bzw. 33 freizulegen, so daß ein Zugang an die Halbleiterplättchen S1 bis S6 für den Halbleiterplättchen-Kontaktierungsvorgang geschaffen wird. Eine Umrandung 60 ist einstückig mit dem Gehäuse 50 ausgebildet und umgibt dieses, und Befestigungsöffnungen 61, 62, 63, 64 sind an den Gehäuseecken vorgesehen, um eine Schraubbefestigung zu ermöglichen. Eine untere Schicht 70 aus einem dünnen Isoliermaterial erstreckt sich vollständig über den Boden des Gehäuses 50 und dient zur elektrischen Isolation der Anschlußflächenbereiche 30, 31, 32, 33 und 34 voneinander und von dem Kühlkörper des Benutzers, auf dem das Gehäuse befestigt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Leiterrahmen- Anschlußflächenbereiche dazu dienen, Wärmeenergie, die von den Halbleiterplättchen S1 bis S6 erzeugt wird, über die Leiteranschlüsse und zu der thermisch leitenden Isolierschicht abzuleiten, die in Kontakt mit einem Kühlkörper gebracht werden kann. Ein großer prozentualer Anteil der thermischen Energie wird über die thermisch leitende Isolierschicht abgeleitet, und der Rest kann über die Leiteranschlüsse abgeleitet werden.
Wie dies als nächstes in Fig. 3 gezeigt ist, sind gedruckte Leiterplatten 80 und 81, die Steueranschlüsse G1 bis G6 (Fig. 4 und 5) und zugehörige Kelvin-(Source-) Anschlüsse und Drahtkontaktierungsanschlüsse hierfür tragen, auf den gegenüber­ liegenden oberen Plattform-Endoberflächen des Gehäuses 50 befestigt, und es können geeignete Drahtkontaktierungsverbindungen hergestellt werden.
Nachdem alle Drahtkontaktierungsverbindungen hergestellt sind, kann das Innere der Umrandung 60 des Gehäuses 50 mit einem geeigneten Silikon-Material (Silastik) (Fig. 4 und 5) oder einem Epoxy-Material oder dergleichen gefüllt werden.
Eine Trenneinrichtung 90 kann dann über der Umrandung angeordnet werden. Die Trenneinrichtung kann starr sein, und sie ermöglicht es, daß die Anschlüsse durch sie hindurchlaufen. Die Trenneinrichtung kann eine unbearbeitete Leiterplatte sein, die elektronische Bauteile aufnehmen kann. Eine die Bauteile für die Steuerung der Inverterschaltung enthaltende Leiterplatte kann dann über der Trenneinrichtung 90 angeordnet sein. Aufgrund ihrer Starrheit hält die Trenneinrichtung die Anschlüsse für einen Eingriff mit der die Steuerbauteile enthaltenden Leiterplatte ausgerichtet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Moduleinheit nach den Fig. 1-7 kein getrenntes Substrat zur Aufnahme der Halbleiterplättchen S1 bis S6 aufweist und daher verringerte Kosten ergibt.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für den Fachmann andere Abänderungen und Modifikationen sowie weitere Anwendungen ohne weiteres zu erkennen.

Claims (12)

1. Leistungs-Moduleinheit für Niederspannungsanwendungen, mit einem isolierenden Formgehäuse mit offenen Ober- und Unterseiten und einer Umrandung, und mit einer Anzahl von Leistungs-Halbleiterbauteilen, die in dem Gehäuse angeordnet und miteinander und mit Leiteranschlüssen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Leiterrahmen vorgesehen ist, der eine Anzahl von koplanaren leitenden Anschlußflächenbereichen (30, 31, 32, 33, 34) und hiermit verbundene leitende Anschlußleitungen (U, V, W, 20, 21) aufweist,
daß die leitenden Anschlußleitungen des Leiterrahmens durch Einsatzformung in die Umrandung (60) eingeformt sind und sich über die Außenoberfläche der Umrandung (60) hinaus erstrecken und die Leiterrahmen-Anschlußflächenbereiche im Inneren der Umrandung (60) haltern,
daß eine Vielzahl von Drahtkontaktierungen zur elektrischen Verbindung der Leistungs-Halbleiterbauteile miteinander und mit den leitenden Anschlußflächen­ bereichen (30, 31, 32, 33, 34) vorgesehen ist, um eine Schaltung zu bilden, und
daß die unteren Oberflächen der Leiterrahmen-Anschlußflächenbereiche im wesentlichen koplanar sind und auf einer Kühlkörperhalterung befestigbar sind, die von der Moduleinheit getrennt ist.
2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Dreiphasen-Inverterschaltung (Fig. 8) ist.
3. Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs-Halbleiterbauteile aus MOSFET-Bauteilen in einer Dreiphasen- Brückenschaltung bestehen.
4. Moduleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die MOSFET- Bauteile eine Nennspannung zwischen 30 und 75 Volt aufweisen.
5. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltungs-Leiterplatte oberhalb einer vergrößerten Fläche der Umrandung (60) angeordnet ist, um Signale an die Leistungs- Halbleiterbauteile zu liefern.
6. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Umrandung oberhalb der Ebene des Leiterrahmens mit einem Vergußmaterial gefüllt ist.
7. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Kunststoff-Formgehäuse ist.
8. Moduleinheit nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der MOSFET-Bauteile eine Drain-Elektrode auf seiner untere Oberfläche und eine Source- und Gate-Elektrode auf seiner oberen Oberfläche aufweist,
daß die Anzahl von leitenden Anschlußflächenbereichen erste, zweite und dritte Anschlußflächenbereiche (30, 31, 32) einschließt, die voneinander isoliert und mit ersten, zweiten bzw. dritten parallelen Anschlußleitern U, V, W verbunden sind, die sich durch die Umrandung (60) erstrecken und in dieser durch Einsatzformung befestigt sind,
daß ein vierter Leiterrahmen-Anschlußflächenbereich (33) mit einer vierten Anschlußleitung (20) verbunden ist, und
daß sich eine fünfte leitende Anschlußleitung (21) parallel zu der vierten Anschlußleitung erstreckt, wobei sich die vierten und fünften Anschlußleitungen durch die Umrandung (60) erstrecken und in dieser durch Einsatzformen befestigt sind,
daß eine erste Gruppe von drei der MOSFET-Bauteile leitend mit ihren Drain-Elektroden mit den ersten, zweiten und dritten Anschlußflächenbereichen (30, 31, 32) verbunden ist,
daß eine zweite Gruppe von drei der MOSFET-Bauteile leitend mit ihren Drain-Elektroden mit dem vierten Anschlußflächenbereich (33) verbunden sind, und
daß die Source-Elektrode der zweiten Gruppe von MOSFET-Bauteilen durch Drahtkontaktierung mit der fünften Anschlußleitung (21) verbunden ist.
9. Moduleinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die MOSFET- Bauteile miteinander verbunden sind, um eine Dreiphasen-Inverterschaltung zu bilden.
10. Moduleinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die MOSFET- Bauteile eine Nennspannung zwischen 30 und 75 Volt aufweisen.
11. Moduleinheit nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Anschluß vorgesehen ist, der eine elektrische Verbindung an die Leiterplatte ergibt, wobei der zumindest eine Anschluß elektrisch mit zumindest einem der Leistungs-Halbleiterbauteile verbunden ist.
12. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermisch leitende, elektrisch isolierende Schicht (70) zwischen den Anschlußflächenbereichen (30, 31, 32, 33, 34) des Leiterrahmens und dem Kühlkörper angeordnet ist.
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