DE10115207A1 - Active semiconductor module with plastic frame - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffrahmen nach dem Oberbegriff des Haupt anspruchs.The invention relates to a power semiconductor module a plastic frame according to the preamble of the main demanding
Bei derartigen Modulen wird der Kunststoffrahmen meist auf einer metallische Trägerplatte unter Ermöglichung eines thermischen Versatzes befestigt, wobei durch die Rahmenwände des Moduls Anschlüsse für im Inneren befind liche elektronische Leistungsbauteile geführt sind. Bond drähte, die von der eigentlichen Halbleiterplatte zu Kon taktpunkten im Bereich der Rahmenwände führen, weisen da bei durch eine zusätzliche Länge (in Form einer Ausbie gung) zudem eine einen weiteren Versatz ermöglichende Flexibilität auf.With such modules, the plastic frame is usually on a metallic support plate while allowing attached to a thermal offset, whereby by the Frame walls of the module connections for inside Liche electronic power components are performed. Bond wires from the actual semiconductor board to Kon lead tact points in the area of the frame walls, show with an additional length (in the form of a bend gung) also enables a further offset Flexibility on.
Leistungshalbleitermodule weisen zudem dabei häufig zu sätzlich eine in den Kunststoffrahmen integrierte Ansteu erelektronik auf. Sie besteht im wesentlichen aus einer metallischen oder metall-keramischen Bodenplatte als Wär mesenke, auf die ein oder mehrere Trägersubstrate (je weils bestehend aus Isolationsschicht und beidseitiger Metallisierung) aufgebracht sind, wobei auf diesen eine Anzahl von Leistungshalbleitern und Sensorkomponenten angeordnet sind. Die Seite, auf der die Leistungshalblei ter angeordnet sind, ist die sog. "strukturierte Seite" gegenüber der Wärmesenke.Power semiconductor modules also frequently assign control integrated into the plastic frame electronics on. It essentially consists of one metallic or metal-ceramic base plate as heat mesenke, on which one or more carrier substrates (each Weil consisting of an insulation layer and bilateral Metallization) are applied, with this one Number of power semiconductors and sensor components are arranged. The page on which the performance is important are arranged, the so-called "structured side" towards the heat sink.
Die metallische Bodenplatte wird weiter von einem glas faserverstärkten Kunststoffrahmen umgeben, der zusätzlich eine für die Ansteuerelektronik bestimmte Leiterplatte, das sogenannte Ansteuerboard, tragen kann, auf der Bau elemente außer zur Ansteuerung der Leistungselektronik komponenten auch zur Überwachung und externen Steuerung vorhanden sind.The metallic base plate is further covered by a glass fiber-reinforced plastic frame surrounding the additional a circuit board intended for the control electronics, the so-called control board, can carry on the construction elements except for controlling the power electronics components also for monitoring and external control available.
Weiter besitzt die Leiterplatte Anschlüsse für externe elektrische Verbindungen und interne elektrische Verbin dungen zu den Leistungshalbleitern und Sensorkomponenten. Der Kunststoffrahmen besitzt zudem ebenfalls weitere elektrische Anschlußelemente für die direkte, starr aus gebildete elektrische Kontaktierung der Leistungshalblei ter, mit denen ganz erhebliche Ströme mit hohen Ampere zahlen durch die Leistungshalbleiter durchgeleitet wer den. Bei Leistungshalbleitermodulen, die für die Steue rung eines Gabelstaplers benötigt werden, kann der zu schaltende Strom beispielsweise einige hundert Ampere betragen.The circuit board also has connections for external electrical connections and internal electrical connection Power semiconductors and sensor components. The plastic frame also has more electrical connection elements for direct, rigid formed electrical contact of the power half ter with which very substantial currents with high amperes numbers passed through the power semiconductors who the. For power semiconductor modules that are used for the control a forklift can be required switching current, for example, several hundred amperes be.
Dieser Kunststoffrahmen um den Leistungshalbleiter wird oberhalb der Leiterplatte mit einem Deckel verschlossen. Besonders problematisch beim Einsatz automatischer den Bonddraht aufbringender Automaten ist außerdem die Gewäh rung eines ausreichend großen Freiraums im Bereich der Kontaktierungspunkte, damit eine Aufbringspitze mit der Bonddrahtzuführung sich mit wenigen einfachen Bewegungen, die durch die angestrebte Lage der Drähte vorgegeben sind, schnell innerhalb des Rahmen bewegen kann.This plastic frame around the power semiconductor will closed with a lid above the circuit board. Particularly problematic when using the automatic Automatic bonding machines are also the norm enough space in the area of the Contact points so that an application tip with the Bond wire feed with a few simple movements, given by the desired location of the wires are able to move quickly within the frame.
Die obig erwähnten Leistungshalbleitermodule mit inte grierter Ansteuerelektronik werden auch "intelligente Leistungshalbleitermodule" genannt und sind seit langem bekannt. Diese Leistungsanschlüsse (also die für hohe Ströme geeigneten Anschlußelemente) werden direkt vom Leistungshalbleiter oder von der strukturierten Metal lisierung des Trägersubstrates kontaktiert und durch den Kunststoffrahmen oder direkt durch den Deckel zum äußeren Anschluß geführt.The above-mentioned power semiconductor modules with inte Integrated control electronics are also "intelligent Power semiconductor modules "and have long been known. These power connections (i.e. those for high Suitable connection elements) are directly from the Power semiconductors or from the structured metal lization of the carrier substrate contacted and by the Plastic frame or directly through the lid to the outside Connection led.
Zusätzlich kontaktieren sogenannte Steueranschlüsse die Leistungshalbleiter und die Sensorkomponenten und werden meist zu einem Ansteuerboard geführt. Solche Anordnungen finden sich zum Beispiel in den US-Patentschriften 5,497,291 und 5,519,252.In addition, so-called control connections contact the Power semiconductors and the sensor components and will mostly led to a control board. Such orders can be found, for example, in the US patents 5,497,291 and 5,519,252.
Beide Druckschriften offenbaren insbesondere die direkte Verbindung vom Trägersubstrat zum Ansteuerboard durch starre leitfähige Metallstifte oder Metallbänder, die im allgemeinen aus Kupfer gefertigt sind und sowohl an me tallisierten Flächen des Trägersubstrates wie auch Flä chen des Ansteuerboards durch Weichlötung angeschlossen sind.Both publications particularly disclose the direct one Connection from the carrier substrate to the control board rigid conductive metal pins or metal strips, which in the general are made of copper and both on me tallized areas of the carrier substrate as well as Flä Chen of the control board connected by soft soldering are.
Nachteil des Aufbau dieser bekannten intelligenten Lei stungsmodule ist die sehr unterschiedliche thermische Ausdehnung der aus unterschiedlichen Materialien gefertigten Struktur. Da Temperaturen von beispielsweise -40°C bis über +150°C (am Halbleiter) unter Vollastbetrieb auf treten und übliche Trägersubstrate für keramische Isola tionsschichten aus Aluminiumoxid mit einem thermischen Ausdehnungskoeffiziente TCE = 6,7 ppm/K oder Aluniniumni trid TCE = 3,3 ppm/K betragen, andererseits aber die Lei stungshalbleiter aus Silizium mit einem TCE = 2,7 ppm/K versehen sind, wird der thermisch mechanische Stress in der Weichlötung aufgefangen, sofern diese vorhanden ist.Disadvantage of building this well-known intelligent lei is the very different thermal Expansion of the made of different materials Structure. Since temperatures of, for example, -40 ° C up to + 150 ° C (on the semiconductor) under full load operation occur and usual carrier substrates for ceramic isola layers of aluminum oxide with a thermal Expansion coefficient TCE = 6.7 ppm / K or aluminum Ni trid TCE = 3.3 ppm / K, but on the other hand the lei Silicon with a TCE = 2.7 ppm / K are provided, the thermal mechanical stress in the soft soldering, if available.
Zur Vermeidung von thermischen-mechanischem Stress werden die TCEs der Trägersubstrate nach Möglichkeit dem des Silizium angenähert, wobei das Aluminiumnitrid erheblich kostenintensiver als bspw. Aluminiumoxid ist.To avoid thermal-mechanical stress the TCEs of the carrier substrates, if possible that of the Silicon approximated, the aluminum nitride considerably is more expensive than, for example, aluminum oxide.
Die zum Einsatz kommenden Ansteuerboards bestehen nun weiter aus glasfaserverstärkten Epoxydharzen mit einem TCE von 20 ppm/K in X- und Y-Richtung, also einem um fast eine Größenordnung größeren Ausdehnungskoeffizienten. Die beschriebenen starren elektrischen Verbindungen zwischen den durch den Rahmen gehaltenen Leistungshalbleiter soll ten daher durch entsprechende Konstruktion des Rahmens möglichst wenig gegeneinander verschoben werden.The control boards used now exist further from glass fiber reinforced epoxy resins with a TCE of 20 ppm / K in the X and Y directions, almost one an order of magnitude larger expansion coefficients. The described rigid electrical connections between the power semiconductor held by the frame ten therefore by appropriate construction of the frame be moved against each other as little as possible.
Weiter wächst das Problem mit zunehmender geometrischer Größe von Modul und Ansteuerboard und führt zu Kontakt brüchen an den thermisch beanspruchten Lötstellen auf dem Trägersubstrat. Da gerade die mit hohen Strömen arbeiten den Leistungshalbleitermodule größere Gehäuse benötigen und zudem höhere Temperatur entwickeln, tritt bei ihnen das Problem besonders stark auf.The problem grows with increasing geometric Size of module and control board and leads to contact breaks at the thermally stressed solder joints on the Carrier substrate. Because they are working with high currents the power semiconductor modules require larger housings and also develop higher temperature occurs with them the problem particularly strong.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Lei stungshalbleitermodul zu schaffen, bei dem diese Probleme durch eine verbesserte elektrische Kontaktierung vermie den werden.The invention is based on the object, a lei device semiconductor module in which these problems due to improved electrical contacting that will.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteil hafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.According to the invention, the object is characterized by the features of Main claim solved. The subclaims give advantage stick embodiments of the invention again.
Vorteilhaft ist insbesondere, daß durch Führung auch der Steueranschlüsse in den Rahmenwandungen des Leistungs halbleitermoduls diese in ihrer Position zu den jeweili gen Substraten und dem Ansteuerboard definiert sind und man von diesen festen Verhältnissen ausgehend nun die Minimierung des Temperaturausdehnungsversatzes gezielt ermitteln und minimieren kann.It is particularly advantageous that the Control connections in the frame walls of the power semiconductor module this in their position to the respective substrates and the control board are defined and based on these fixed relationships Targeted minimization of the thermal expansion offset can determine and minimize.
Besonders vorteilhaft ist es weiter, die Steueranschlüsse in Brückenstegen anzuordnen, die über die Freiflächen der Rahmeninnenfläche geführt sind. Das zu kontaktierende Ansteuerboard liegt dann oberhalb der Ebene des Träger substrates und bedeckt einen Teil der Rahmeninnenfläche bei gleichzeitiger Auflage auf den Brückenstegen mit den Kontaktelementen. Die Kontaktelemente sind dabei vorteil hafterweise durch übliche Durchkontaktier-Bohrungen im Ansteuerboard mittels Lötung, Pressung oder Steckung mit den Leiterbahnen auf dem Ansteuerboard mit der Ansteuer elektronik verbunden. It is also particularly advantageous for the control connections to be arranged in bridges over the open spaces of the Are guided inside the frame. That to be contacted Control board is then above the level of the carrier substrates and covers part of the inner surface of the frame with simultaneous support on the bridges with the Contact elements. The contact elements are advantageous unfortunately through the usual through holes in the Control board by means of soldering, pressing or plugging the conductor tracks on the control board with the control electronics connected.
Die thermisch mechanische Fehlanpassung der Materialien von Trägersubstraten und Ansteuerboard ist unverändert vorhanden, wird aber durch die erfindungsgemäße Konstruk tion mit Hilfe flexibler Bonddrähte ausgeglichen. Gleich zeitig erhält das Ansteuerboard durch die vorteilhafter weise gewählte Anbringung auf zwei die Rahmeninnenfläche in drei etwa gleichgroße, wiederum rechteckig längs ne beneinander angeordnete Teilflächen unterteilende Brückenstege einen festen Halt innerhalb des Kunststoff rahmens.The thermal mechanical mismatch of materials of carrier substrates and control board is unchanged available, but is by the construct according to the invention tion balanced with the help of flexible bond wires. Soon get the control board early due to the more advantageous wise selected attachment on two the inner frame surface in three roughly the same size, again rectangular along ne subdividing sub-areas Bridges provide a firm hold within the plastic frame.
Es werden sich drei etwa gleich große, jeweils um wenig stens den Faktor 3 geringere thermische Ausdehnungen er geben, von denen im wesentlichen nur diejenige für das Drittel, das zwischen den Brückenstegen liegt, von Bedeu tung ist. Diese Ausdehnung für das mittlere Drittel führt zu einer unkritischen gewissen Wölbung des Ansteuerboards bei gleichzeitiger Nutzung der Flexibilität der Brücken stege gegenüber dem Rahmen, ohne daß ein zerstörender Einfluß auf die Kontaktierung insbesondere einzelner Kon taktelemente zu den Leistungshalbleitermodulen oder zu dem Ansteuerboard erfolgt.There will be three about the same size, each by a little at least a factor of 3 lower thermal expansion give, of which essentially only that for the Third, which lies between the bridges, by Bedeu tung is. This expansion leads to the middle third to an uncritical certain curvature of the control board while using the flexibility of the bridges webs against the frame without being destructive Influence on contacting, in particular, individual con clock elements to the power semiconductor modules or the control board.
Gleichzeitig wird durch die Anordnung der Brückenstege entlang einer oder mehrerer Trennungsgebiete zwischen zwei oder mehreren Trägersubstraten auf der Bodenplatte die mechanische Stabilität des umlaufenden Rahmens gegen über Verformungen deutlich erhöht, insbesondere biegen sich die Längsseiten, zwischen denen die Brückenstege an geordnet sind, relativ zueinander nicht auseinander und Bonddrähte, die zu den Leistungsanschlüssen auf diesen Längsseiten führen, werden mechanisch deutlich weniger belastet. At the same time, the arrangement of the bridges along one or more separation areas between two or more carrier substrates on the base plate against the mechanical stability of the surrounding frame significantly increased via deformations, especially bending the long sides between which the bridges join are ordered, not apart from each other and Bond wires leading to the power connections on these Longer sides lead mechanically significantly less charged.
Durch die Anordnung des Ansteuerboards in der zweiten Ebene oberhalb der Leistungshalbleiter ist gleichzeitig ein kleines Gehäuse möglich, das den Raumgewinn, den wesentlichen Vorteil, aufgrund dessen die Leistungshalb leiter überhaupt eng integriert werden, weiter erhält.By arranging the control board in the second The level above the power semiconductors is simultaneous a small housing possible, which saves space essential advantage, due to which the power half leaders are closely integrated at all, maintains.
Die haubenartige Ausbildung des Deckels erlaubt eine Auf nahem des Ansteuerboards.The hood-like design of the lid allows opening near the control board.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention result from the following description of a preferred embodiment Example using the attached drawing. there shows:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Leistungshalbleitermoduls mit abge hobenen Deckel und angehobenem An steuerboard, und Fig. 1 is a perspective view of the power semiconductor module with abge raised cover and raised control board, and
Fig. 2 einen Schnitt durch das Leistungs halbleitermodul quer zu den Stegen. Fig. 2 shows a section through the power semiconductor module across the webs.
Das in der Fig. 1 dargestellte Leistungshalbleitermodul besitzt einen Kunststoffrahmen 10, der auf einer metalli schen Trägerplatte 12 befestigt ist. Durch die äußeren Rahmenwandungen 18 sind Leistungsanschlüsse 14 für im Inneren befindliche elektronische Halbleiterplatte 16 geführt, in einer inneren Rahmenwandungen 20 sind Steuer anschlüsse 22 vorgesehen.The power semiconductor module shown in FIG. 1 has a plastic frame 10 which is mounted on a metalli rule carrier plate 12. Through the outer frame walls 18 , power connections 14 for internal electronic semiconductor plate 16 are guided, in an inner frame walls 20 control connections 22 are provided.
Die aus Metallstreifen gebildeten Leistungsanschlüsse 14 sind dabei bereits in einer (erst im zusammengefügten Zustand bewirkten) auf den zwischen die äußeren Rahmen wandungen 18 einlegbaren Deckel 24 aufgebogenen Stellung dargestellt. Vor dem Umbiegen wird dabei in die sechs eckigen Ausnehmungen im Deckel eine Mutter zur Ermögli chung einer Schraubverbindung an den Leistungsanschlüssen 14 eingelegt.The power terminals 14 formed of metal strips are (caused only in the assembled state) already in one of the walls between the outer frame 18 insertable lid 24 unfolded position shown. Before bending, a nut is inserted into the hexagonal recesses in the lid to enable a screw connection on the power connections 14 .
Der Deckel weist eine Ausnehmung 28 auf, durch die ein Stecker direkt auf das darunterliegende Ansteuerboard 30 steckbar ist.The cover has a recess 28 , through which a plug can be plugged directly onto the control board 30 underneath.
Die inneren Rahmenwandungen 20 sind als den Innenraum quer in Teilgebiete teilende Brückenstege ausgebildet, die zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter Anschlüsse 22 in sich tragen, die in der Ebene der Leistungsan schlüsse in einem unteren Bereich der Rahmenwandung seit lich in einem durch Bezugszeichen 34 gekennzeichneten Bereich dicht oberhalb der Trägerplatte austreten und die auf der Oberseite der Brückenstege der inneren Rahmenwan dungen 20 herausgeführt werden.The inner frame walls 20 are formed as bridges dividing the interior transversely into partial areas, which carry connections 22 for contacting the power semiconductors, which connections in the plane of the power connections in a lower region of the frame wall since in a region marked by reference numeral 34 just above emerge from the support plate and are carried out on the top of the bridge webs of the inner frame wall 20 .
Die Rahmenwandungen 18, 20 weisen Absätze 36, 38 auf, die in einer Ebene liegen. Dies ermöglich das einfache Bonden der Leistungshalbleiter mit Automaten, die nur einfache Bewegungen ausführen müssen.The frame walls 18 , 20 have shoulders 36 , 38 which lie in one plane. This makes it easy to bond the power semiconductors to machines that only have to perform simple movements.
Da die Oberseite der inneren Rahmenwandung deutlich unterhalb der äußeren (Seiten-) Rahmenwandung angeordnet ist, stört sie Verfahrbewegungen der den Bonddraht auf bringenden Spitze und der Bonddrahtzuführeinrichtungen wenig, während gleichzeitig die an dieser Stelle heraus geführten Steueranschlüsse durch Ausnehmungen im Deckel an der Oberseite des Moduls ggf. direkt mit Steckern kon taktierbar sind, die wiederum zu den Leistungsanschlüssen 14 Abstand waren, ohne die Dimensionen des Moduls zusätz lich zu vergrößern. Since the top of the inner frame wall is located clearly below the outer (side) frame wall, it does not disturb the movement of the tip and the bond wire feed devices, while at the same time the control connections led out through recesses in the cover on the top of the module if necessary, are directly contactable with plugs, which in turn were at a distance from the power connections 14 without additionally increasing the dimensions of the module.
Das Ansteuerboard 30 ist - wie in Fig. 1 und 2 darge stellt - innerhalb des Moduls auf die Steueranschlüsse 22 aufsteckbar unterhalb des Deckels angeordnet. Als beson ders geeignet hat sich eine Aufteilung erwiesen, bei der der Deckel das Ansteuerboard von oben auf zwei den recht eckigen Innenraum quer teilenden Brückenstegen im Zusam menwirken mit den in das Steuerbord von unten eingesenk ten Steueranschlüssen fixiert, aber dennoch insbesondere den Endbereichen noch thermischen Versatz erlaubt.The control board 30 is - as shown in FIGS . 1 and 2 Darge - placed inside the module on the control connections 22 attachable below the lid. A division has proven to be particularly suitable, in which the cover fixes the control board from above onto two bridge webs that divide the rectangular interior transversely in cooperation with the control connections countersunk into the starboard, but still has thermal offset in particular in the end regions allowed.
Die Oberseite der inneren Rahmenwandung ist deutlich un terhalb der äußeren (Seiten-) Rahmenwandung angeordnet und die Oberseite des Deckels fluchtet im wesentlichen mit der seitlichen Rahmenwandung. Die ermöglicht es, die Bauhöhe zu minimieren.The top of the inner frame wall is clearly un arranged below the outer (side) frame wall and the top of the lid is substantially flush with the side frame wall. It enables the Minimize overall height.
Claims (8)
die nach oben zur externen Kontaktierung und nach innen zur internen Kontaktierung mit der Halblei terplatte (16) ausgebildeten Leistungsanschlüsse (14) von einer äußeren Rahmenwandung (18) aufgenom men sind,
die nach oben zur externen Kontaktierung und nach innen zur internen Kontaktierung mit der Halblei terplatte (16) ausgebildeten Steueranschlüsse (22) von einer inneren Rahmenwandung (20) aufgenommen sind,
die Ebene der Oberkante der inneren Rahmenwandung (20) mit Abstand unterhalb der Ebene der Oberkante der äußeren Rahmenwandung (18) liegt,
die Leistungsanschlüsse (14) am Rand des Deckels (24) hochgeführt, auf diesen umgebogen und mittels Schrauben kontaktierbar sind, und
die Steueranschlüsse (22) durch wenigstens eine Ausnehmung (28) im Deckel (24) kontaktierbar sind.1. Power semiconductor module with a plastic frame which is fastened to a metallic carrier plate ( 12 ) and through the frame walls ( 18 , 20 ) of which power connections ( 14 ) and control connections ( 22 ) are guided for a semiconductor plate ( 16 ) received by the module, and with a lid ( 24 ), characterized in that
the power connections ( 14 ) formed upwards for external contacting and inward for internal contacting with the semiconductor circuit board ( 16 ) are received by an outer frame wall ( 18 ),
the control connections ( 22 ) formed upwards for external contacting and inward for internal contacting with the semiconductor circuit board ( 16 ) are received by an inner frame wall ( 20 ),
the plane of the upper edge of the inner frame wall ( 20 ) lies at a distance below the plane of the upper edge of the outer frame wall ( 18 ),
the power connections ( 14 ) are brought up at the edge of the cover ( 24 ), bent over thereon and contactable by means of screws, and
the control connections ( 22 ) can be contacted by at least one recess ( 28 ) in the cover ( 24 ).
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