DE10196942T5 - Halbleiter-Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Halbleiter-Leistungsmodul, das in Kombination folgendes umfasst: eine Anzahl von Leistungs-Halbleiterplättchen, die jeweils eine untere Oberfläche und eine obere Oberfläche aufweisen; eine Isolier-Tragschale; eine Anzahl von thermisch leitenden Halbleiterplättchen-Trägereinrichtungen zur Aufnahme der unteren Oberflächen jeweiliger der Leistungs-Halbleiterplättchen; und eine gedruckte Leiterplatte, die eine darauf befindliche Steuerschaltung zur Steuerung der Betriebsweise der Anzahl von Leistungs-Halbleiterplättchen enthält; wobei die gedruckte Leiterplatte in einer Ebene und parallel zu der Ebene der Trägereinrichtung angeordnet ist; wobei die gedruckte Leiterplatte eine Anzahl von mit Abstand voneinander darin ausgebildeten Öffnungen aufweist; wobei die Isolier-Tragschale eine Anzahl von koplanaren darin ausgebildeten Öffnungen aufweist, die jeweils auf einer jeweiligen der Öffnungen in der gedruckten Leiterplatte zentriert sind; wobei die Anzahl von thermisch leitenden Trägereinrichtungen in jeweiligen der Öffnungen in der Isolations-Schale angeordnet und festgelegt ist und elektrisch voneinander durch die Isolations-Schale isoliert ist; und wobei sich Drahtkontaktierungseinrichtungen durch die Öffnungen hindurch erstrecken und die Steuerschaltungen mit jeweiligen der...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Leistungsmodule und insbesondere auf eine neuartige Struktur für derartige Module, wodurch deren Herstellung vereinfacht wird, die Herstellungskosten verringert werden und die Zuverlässigkeit erhöht wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es sind Halbleiter-Module gut bekannt, bei denen eine Anzahl von Leistungs-Halbleiterplättchen auf einem Substratträger auf Keramikbasis, wie z. B. auf einem isolierten Metallsubstrat (IMS) oder dergleichen befestigt sind, um die Bauteile miteinander zu verbinden, wobei dieses Substrat in einer Haupt-Trägerschale gehaltert ist, die außerdem eine gedruckte Leiterplatte (PCB) trägt, die Steuerschaltungen zum Steuern des Leistungs-Halbleiterplättchens trägt. Ein Kupfer-Keramik-Substrat mit Direktbindung (DBC) kann anstelle eines IMS verwendet werden. Leistungsanschlüsse erstrecken sich von dem IMS zur Verbindung mit einer Last, wie z. B. einem Motor, und die gedruckte Leiterplatte trägt einen Anschlusssteckverbinder zum Verbinden mit einer externen Quelle für Steuersignale. Derartige Geräte sind üblicherweise so angeordnet, dass das IMS in einer kleinen Öffnung in der Schale befestigt ist (so dass die Fläche des aufwändigen IMS zu einem Minimum gemacht werden kann) und die Bodenfläche des IMS mit der oberen ebenen Oberfläche eines Kühlkörpers in Kontakt gedrückt werden kann.
  • Die PCB wird allgemein in einer Ebene oberhalb der Ebene des IMS gehaltert und ist seitlich gegenüber dem IMS-Bereich versetzt. Der Boden der PCB ist mit Abstand oberhalb der oberen Oberfläche der Tragschale angeordnet, so dass Bauteile auf der unteren Oberfläche und der oberen Oberfläche der PCB befestigt werden können.
  • Als Ergebnis dieser Konstruktion müssen sich Drahtkontaktierungen an die Steuerelektroden des Leistungs-Halbleiterplättchens auf dem IMS, beispielsweise zu Gate-Elektroden und Temperatur- und Strommess- und Kelvin-Elektroden von MOSFET's und IGBT's, von der unteren Ebene der oberen Oberfläche des Leistungs-Halbleiterplättchens zu der oberen Ebene der oberen Oberfläche der PCB erstrecken, wodurch sich lange Kontaktierungsdrähte ergeben, die schwierig handzuhaben sind.
  • Weiterhin wird bei der bekannten Konstruktion ein Substrat, üblicherweise ein IMS, das die miteinander verbundenen Leistungs-Halbleiterplättchen, Nebenschlüsse, Temperatur- und Stromsensoren enthält, als erstes an der Isolier-Basisschale befestigt. Eine PCB wird als nächstes an der Basisschale befestigt, und Kontaktierungsdrahtverbindungen werden zwischen dem Silizium-Halbleiterplättchen und dem Substrat zu der PCB hergestellt. Eine Kappe wird als nächstes über dem IMS angeordnet, und eine Vergussmasse, beispielsweise ein Silikon-Material, wird in das Innere der Kappe und über die Oberseite des IMS durch Öffnungen in der Kappe eingebracht, worauf das Silikon-Material ausgehärtet wird. Es würde vorteilhaft sein, die resultierende hohe Bauteilanzahl für das Modul zu verringern.
  • Im Allgemeinen werden Substrate auf Keramikbasis häufig zur Aufnahme der verschiedenen Halbleiterplättchen verwendet. Diese Substrate haben üblicherweise die Konstruktion, die in den 13 und 14 für das Substrat 320 gezeigt ist, und sie weisen eine untere Kupferschicht 321, eine in der Mitte liegende Isolier-Keramikschicht 322, die aus Al2O3 oder AlN bestehen kann, und eine obere Kupferschicht auf, die in verschiedenen Bereichen mit Mustern versehen wurde, wie z. B. die sechs isolierten Bereiche 323, 324, 325, 326, 327 und 328, die gezeigt ist. Irgendein anderes Muster könnte in der oberen Kupferschicht ausgebildet sein. An jedem der Bereiche 323 bis 328 ist ein jeweiliges Leistungshalbleiterbauteil-Plättchen 330 bis 335 befestigt, beispielsweise durch Löten oder durch ein leitendes Epoxy-Material oder dergleichen. Die unteren Elektroden der Halbleiterplättchen 330 bis 335 sind isoliert, könnten jedoch miteinander in gewünschter Weise durch leitende Leiterbahnen oder durch Kontaktierungsdrähte miteinander verbunden sein. Das Substrat 320 nach den 13 und 14 kann außerdem ein DBC-Substrat, d. h. ein Keramiksubstrat mit direkt daran gebundenen Kupferschichten sein.
  • Um die mechanische Integrität derartiger Substrate sicherzustellen und um ein Brechen des Keramikmaterials zu verhindern, ist ihre Länge üblicherweise auf weniger als ungefähr zwei Zoll beschränkt. Wenn daher ein Leistungsmodul ein größeres Substrat erfordert, müssen zwei oder mehr kürzere getrennte Substrate verwendet werden. So sind gemäß 15 zwei identische Substrate 320 und 340 an einer gemeinsamen Grundplatte 341 befestigt, die aus Kupfer oder aus AlSiC für Anwendungen mit höherer Betriebsleistung hergestellt ist.
  • Die Substrate 320 und 340 werden üblicherweise an einer gemeinsamen Grundplatte 341 durch Lotaufschmelztechniken oder durch ein leitendes Epoxy-Material befestigt. Die Teilbaugruppe aus den Substraten 320, 340 und der Grundplatte 341 wird dann in einer Kunststoff-Tragschale 350 befestigt, wobei die Unterseite der Grundplatte 341 freiliegt, um mit einem ebenen Kühlkörper 351 verbunden zu werden. Eine geeignete gedruckte Leiterplatte und Anschlüsse werden dann vorgesehen. Das Silizium-Halbleiterplättchen und das Substrat werden durch Kontaktierungsdrähte oder auf andere Weise mit der PCB und Anschlüssen verbunden, und die Substrate werden dann in einem geeigneten vergossenen Volumen eingeschlossen.
  • Die vorstehend beschriebene Struktur hat eine Anzahl von Nachteilen. Diese schließen folgendes ein:
    • 1. Werkzeug- und Materialkosten für die Grundplatte 341,
    • 2. die zusätzliche Verarbeitung, die für die Verwendung der Grundplatte 341 erforderlich ist,
    • 3. der zusätzliche thermische Widerstand zwischen dem Silizium-Halbleiterplättchen und dem Kühlkörper 351 aufgrund der zusätzlichen Grenzflächen an der Oberseite und der Unterseite der Platte 341,
    • 4. Beeinträchtigung der Leistungs- und Temperatur-Wechselbeanspruchungseigenschaften aufgrund der zusätzlichen Grenzflächen.
  • Es würde wünschenswert sein, mehrfache Substrate in einem Leistungsmodul ohne die Nachteile zu verwenden, die sich aus der zusätzlichen gemeinsamen Grundplatte ergeben.
  • Bei der bekannten Konstruktion und wie dies weiter oben beschrieben wurde, ist das gesamte Modul an einem einzigen einstückigen Kühlkörper mit Hilfe von Schrauben oder dergleichen befestigt. Die einzelnen Bauteile sind elektrisch voneinander gegen eine Leitung durch den gemeinsamen Kühlkörper durch die Verwendung der aufwändigen IMS oder DBC isoliert. Die Verwendung eines IMS oder DBC oder ähnlichen Substrates vergrößert den thermischen Widerstand zwischen den Halbleiterplättchen und dem Kühlkörper.
  • Es würde wünschenswert sein, ein Leistungsmodul zu schaffen, das eine in sich abgeschlossene Schaltung ist, beispielsweise für eine Motorsteuerschaltung, und das keine aufwändigen einzelnen oder mehrfachen Isoliersubstrate erfordert und die Wärmeströmung von den Halbleiterplättchen zu dem Kühlkörper nicht behindert.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die isolierende Tragschalenstruktur so modifiziert, dass das IMS in einer höheren Ebene oberhalb des Bodens der Schale und näher an der Ebene der PCB gehaltert ist. Der Hauptkühlkörper zur Aufnahme des Moduls ist ebenfalls so modifiziert, dass er einen erhöhten, eine ebene Oberseite aufweisenden Tisch oder eine erhöhte Auflagefläche für einen Eingriff mit der erhöht angeordneten Bodenoberfläche des IMS hat. Somit wird der Höhenunterschied zwischen dem IMS (oder einem anderen ähnlichen Substrat) und der PCB verringert, und sie befinden sich in eng benachbarten parallelen Ebenen. Unter „eng benachbart" wird weniger als ungefähr die doppelte Dicke des IMS verstanden.
  • Diese neuartige Struktur ergibt eine Anzahl von Vorteilen. Zunächst verbessert die Verringerung des Höhenunterschiedes zwischen den Oberseiten der Halbleiterplättchen auf dem IMS und der Oberseite der PCB die Drahtkontaktierungsmöglichkeiten und die Qualität der Drahtkontaktierungen, wodurch der Produktionsertrag verbessert wird.
  • Zweitens wird die Länge der Kontaktierungsdrähte verringert, und mechanische Beanspruchungen der Drahtkontaktierungen während des Betriebs des Bauteils werden verringert.
  • Drittens wird das Volumen des Hohlraums, der mit einer Vergussmasse oberhalb des IMS gefüllt werden muss, verringert, wodurch das Volumen an verwendeter Vergussmasse verringert wird.
  • Gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Substrat, das das Leistungs-Halbleiterplättchen und die Strom- und Temperatur-Sensoren, Nebenschlüsse und dergleichen trägt, direkt an der PCB befestigt und trägt diese, und die übliche Isolier-Basisschale ist fortgelassen. Die PCB hat geeignete Öffnungen, um die Oberseite des IMS-Substrates freizulegen, so dass zugängliche Drahtkontaktierungsstellen zur Kontaktierung zwischen dem Siliziumsubstrat und der PCB verbleiben. Eine Kappe wird als nächstes auf der Oberseite der Baugruppe befestigt und durch Klebemittel oder durch eine Schraubenstruktur befestigt. Die Kappe wird gegen die Oberfläche des Kühlkörpers gedrückt. Alle elektrischen Tests des Moduls können vor der Befestigung des Kühlkörpers und vor dem Einkapseln durchgeführt werden.
  • Wenn die Steuerschaltung aufwändig ist und Steuerkomponenten auf der unteren Oberfläche des Kühlkörpers wünschenswert sind, so kann der Kühlkörper in diesen Bereichen hinterschnitten werden, um den erforderlichen Raum zu schaffen.
  • Es sei bemerkt, dass das Substrat bei der vorliegenden Erfindung nicht mit einer Schale verklebt und in Kontakt mit dem Kühlkörper gepresst wird, sondern durch Klebemittel direkt an dem Kühlkörper für verbesserte thermische Eigenschaften befestigt ist. Alternativ können Schrauben, die durch die obere Kappe hindurchlaufen, das Substrat und die PCB an den Kühlkörper befestigen.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind mehrfache Substrate in jeweiligen Öffnungen in einer Kunststoffschale befestigt, und die zwischenliegende gemeinsame leitende Basisplatte ist fortgelassen. Eine PCB ist oberhalb der Substrate angeordnet und enthält Öffnungen, um einen Zugang an die Oberseiten jedes Substrates für die erforderlichen Zwischenverbindungen und Drahtkontaktierungen zwischen den Silizium-Halbleiterplättchen, den Substraten und der PCB und Anschlüssen zu schaffen.
  • Wenn dies erwünscht ist, kann die PCB zusätzliche Zwischenverbindungen, wie z. B. lötbare oder Rast-Befestigungsstifte, Anschlüsse, Steckverbinder usw. zum Verbinden anderer PCB oder anderer Bauteile oder Drähte mit anderen Ausrüstungen einschließen.
  • Bei einer weiteren Realisierung kann die PCB fortgelassen werden, und die Isolierschale kann einen eingegossenen Leiterrahmen enthalten, wobei Drahtkontaktierungsverbindungen zu dem Leiterrahmen hergestellt werden. Die Leitungen können mit einer Leiterplatte außerhalb des Moduls verlötet werden, um die Zwischenverbindungen herzustellen.
  • Bei einer weiteren Realisierung der Erfindung kann die interne PCB durch eine externe PCB ersetzt sein, und das Substrat kann Anschlussstifte enthalten (die mit dem Substrat durch Aufschmeulzlot verbunden sind), wobei diese Anschlussstifte mit der externen PCB verbunden sind.
  • Bei einer weiteren Realisierung der Erfindung können die getrennten Substrate in Längsrichtung miteinander ausgerichtet sein, um die Anzahl von Befestigungsschrauben zu verringern, die erforderlich sind, um die PCB an der Isolieru-Tragschale zu befestigen.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist der einzige Kühlkörper nach dem Stand der Technik auf eine Anzahl von getrennten Kühlkörpern aufgeteilt, die an der Haupt-Isolier-Tragschale des Moduls befestigt sind und in Abstand voneinander gehaltert und voneinander durch die Isolierschale isoliert sind. Das Halbleiterplättchen kann an den jeweiligen Kühlkörpern durch Aufschmelzlot oder leitendes Epoxymaterial oder ähnliche Techniken befestigt werden. Somit werden ein oder mehrere Halbleiterplättchen, deren untere Elektroden das gleiche Potential aufweisen, direkt auf der oberen rohen leitenden Oberfläche der jeweiligen Kühlkörper befestigt. Daher ist kein IMS für die Isolation der Halbleiterplättchen auf unterschiedlichen Potentialen erforderlich, und die Halbleiterplättchen sind innig thermisch mit ihren jeweiligen Kühlkörpern verbunden. Es sei bemerkt, dass irgendeine Mischung von Leistungs-Halbleiterplättchen, wie z. B. Dioden, Leistungs-MOSFET's, IGBT's, Thyristoren, und dergleichen verwendet werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Draufsicht auf ein bekanntes Modul, das ein IMS-Substrat zur Befestigung des Leistungs-Halbleiterplättchens verwendet.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht der 1 entlang des Schnittes 2-2 in 1.
  • 2A ist ein Querschnitt nach 1 entlang der Querschnittslinie 2A-2A in 1.
  • 3 ist eine vergrößerte Ansicht der 2, die eine Isolierkappe zeigt, die gemäß einem Merkmal der Erfindung modifiziert ist.
  • 4 ist eine der 2 ähnliche Ansicht einer Struktur, die dem Bauteil nach den 1 bis 3 ähnlich ist, jedoch entsprechend einem Merkmal der Erfindung modifiziert ist.
  • 4A zeigt die Art und Weise, wie die PCB gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert ist.
  • 4B ist eine Querschnittsansicht der Baugruppe des Gerätes ähnlich dem nach 2A jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Isolierschale entfernt ist.
  • 5 ist eine Draufsicht der Schalenstruktur nach den 1 bis 4, die gemäß der Erfindung modifiziert ist.
  • 6 ist eine Draufsicht auf einen der isolierten Kühlkörper, der in der Haupt-Isolierschale zu befestigen ist.
  • 7 ist eine Seitenansicht des Kühlkörpers nach 6.
  • 8 ist eine Draufsicht der Isolierschale nach 5, wobei die getrennten Kühlkörper an ihrem Platz festgeklebt sind.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht der 8 entlang der Schnittlinie 9-9 nach B.
  • 10 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der drei Kühlkörper jeweils einen P-Kanal- und einen N-Kanal-MOSFET aufnehmen, die Bodenelektroden mit dem gleichen Potential aufweisen.
  • 11 ist eine schematische Querschnittsansicht nach 10 entlang der Schnittlinie 11-11 in 10.
  • 12 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung. 13 ist eine Draufsicht eines üblichen Isolierkeramikplättchens.
  • 14 ist eine Querschnittsansicht der 1 entlang der Schnittlinie 14-14 in 13.
  • 15 zeigt im Querschnitt die Art und Weise, wie verschiedene Substrate in einer Isolierschale befestigt sind.
  • 16 ist eine Draufsicht der PCB- und Substratbaugruppe gemäß der Erfindung.
  • 17 ist eine Querschnittsansicht der 16 entlang der Schnittlinie 17-17 in 16.
  • 18 ist eine Querschnittsansicht der 16 entlang der Schnittlinie 18-18 in 16.
  • 19 ist eine Ansicht ähnlich der 16 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Es wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen, in der ein typisches bekanntes Modul gezeigt ist. So trägt eine als Formteil ausgebildete Tragschalen-Basis 12 eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 13 und weist eine Bodenöffnung 14 auf, in der ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) 15 (2) befestigt ist. Das IMS ist eine ebene Platte aus Material, bei dem obere und untere leitende Schichten durch einen in der Mitte liegenden Isolierfilm isoliert sind. Die leitenden Schichten können einen unteren dicken Kupfer- oder Aluminium-Kühlkörper und eine dünne obere Kupferschicht einschließen, die mit einem Muster versehen werden kann, um leitende Befestigungskissen zu bilden, an denen Leistungs-Halbleiterplättchen, wie z. B. die Halbleiterplättchen 20 und 21, befestigt und miteinander verbunden werden können. Die Befestigung der Halbleiterplättchen kann durch Lotaufschmelzen oder durch leitendes Epoxymaterial oder dergleichen erreicht werden.
  • Die Bodenoberfläche des IMS 15 wird mit der ebenen oberen Oberfläche eines einzigen Kühlkörpers 30 (2) beispielsweise durch isolierte Schrauben 31, 32, 33 in der Schale 12 (1 und 2A) gepresst. Es sei bemerkt, dass das IMS 15 in eine mit Schultern versehene Nut 40 in der Öffnung 14 (2) eingesetzt ist. Weiterhin liegt die gedruckte Leiterplatte 13 auf einer Stufe 41 in der Schale 12, so dass ein Abstand für Bauteile auf der Unterseite der Stufe 41 vorgesehen ist.
  • Drahtkontaktierungsverbindungen werden dann von den Halbleiterplättchen 20 und 21 zu Anschlüssen auf der gedruckten Leiterplatte 13 hergestellt, die Steuersignale von dem Steueranschluss 50 leiten, die die Betriebsweise der Leistungs-Halbleiterplättchen 20 und 21 steuern. Drahtkontaktierungsverbindungen werden weiterhin zu den Leistungsausgangsanschlüssen 55-56 hergestellt.
  • Eine eine hohe Qualität aufweisende Vergussmasse, beispielsweise ein geeignetes flexibles Silastik-Material 60, füllt den Hohlraum oberhalb des IMS 15 und wird durch eine Kappe 70 umschlossen, wie dies in 3 gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass die Kappe 17 zunächst an ihren Platz gebracht und dann das Silastik- oder andere Vergussmaterial durch Öffnungen in der Kappe eingegossen und nachfolgend gehärtet werden kann. Ein eine geringere Qualität aufweisendes Vergussmaterial kann zum Füllen des gesamten Inneren der Schale 13 verwendet werden.
  • Ein Filterkondensator 80 kann ebenfalls in dem Modul enthalten sein.
  • Die in den 1 und 2 gezeigte Konstruktion kann Gesamt-Abmessungen von 7,5 cm × 5 cm × 1 cm haben und eine vollständige Motorsteuerschaltung aufnehmen, die einen Inverter, Eingangsschaltungen, Schutzschaltungen und einen Mikroprozessor einschließt. Der Inverter und andere Leistungs-Halbleiterplättchen sind an dem IMS 15 befestigt, und andere Bauteile befinden sich auf der PCB 13.
  • 3 zeigt einen vergrößerten Teil der Konstruktion nach 2, wobei sich eine Kappe 70 an ihrem Platz befindet, um das Silastik-Material 60 einzuschließen. Es ist verständlich, dass sich die Drahtkontaktierungs-Oberflächen des IMS 15 und der PCB 13 in unterschiedlichen Höhen befinden. Als Folge hiervon ist eine große Menge an Vergussmasse erforderlich, um die Oberfläche des IMS 15 und die Drähte 90 und 91 (3) einzukapseln, die eine Drahtkontaktierung von dem IMS 15 zu der PCB 13 oder dem Anschlusskissen von Anschlüssen 55 und 56 herstellen sollen (1 und 2). Weiterhin sind die Drahtkontaktierungen lang und relativ schwierig zu handhaben.
  • Es ist in 2 möglich, die Ebene der PCB 13 wesentlich abzusenken. Dies macht es jedoch unmöglich, Bauteile auf der Unterseite der PCB 13 anzuordnen, so dass eine größere Fläche für die PCB 13 erforderlich ist, wenn eine große Anzahl von Bauteilen erforderlich ist. Weiterhin wird die PCB 13 auch näher an den Kühlkörper 30 herangebracht, so dass die PCB 13 mit höheren Temperaturen arbeitet.
  • Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung und gemäß 4 kann die Konstruktion der Isolierschale 12 so modifiziert werden, dass die Schulter 40 wesentlich weiter nach oben in Richtung auf die Ebene der PCB 13 bewegt wird. Die Unterseite des IMS 15 wird dann im wesentlichen oberhalb der Ebene der Unterseite der Schale 12 angeordnet. Daher ist ein Tisch oder eine erhöhte Auflagefläche 100 mit einer ebenen oberen Oberfläche auf dem Kühlkörper 30 ausgebildet und so angeordnet, dass er bzw. sie gegen die untere Oberfläche des IMS 15 drückt, das durch die Schulter 40 festgelegt ist, die die Öffnung 14 umgibt.
  • Die resultierende Konstruktion bringt die obere Oberfläche der Halbleiterplättchen 20 und 21 näher an die Ebene der PCB 13, die das IMS 15 umgibt, wie dies in 4 gezeigt ist. Entsprechend wird das Volumen oberhalb des IMS 15, das mit einem eine hohe Qualität aufweisenden und damit aufwändigen Silastik-Material 60 gefüllt werden muss, beträchtlich verringert; die Länge der Kontaktierungsdrähte 90 und 91 wird verkürzt, wodurch mechanische Beanspruchungen auf die Drahtkontaktierungen im Betrieb verringert werden und die Drahtkontaktierungsmöglichkeit und -qualität verbessert wird, wodurch der Produktionsertrag verbessert wird.
  • Die 4A und 4B zeigen ein zweites Merkmal der vorliegenden Erfindung, und den Teilen nach den 1 bis 4 ähnliche Teile tragen die gleiche Bezugsziffer. Es wird zunächst bemerkt, dass die PCB 13 in 4A (die darauf befindlichen Bauteile sind nicht gezeigt) so modifiziert wurde, dass sie eine vergrößerte Öffnung 400 aufweist. Das IMS 15 ist an seinem Aussenrand mit dem darunterliegenden Rand der Öffnung 400 verklebt. Das Halbleiterplättchen und das Substrat und die PCB werden dann in geeigneter Weise durch Drahtkontaktierungen miteinander verbunden, und die Teilbaugruppe wird elektrisch geprüft.
  • Eine Isolierkappe 410 wird dann in der gezeigten Weise befestigt, um die obere Oberfläche des IMS 15 und die darin befindlichen Drahtkontaktierungen zu umschließen. Schrauben 411 und 412, die durch die Leiterplatte 13 hindurchlaufen, sind in einen Kühlkörper 30 eingeschraubt, um die Kappe 410, die PCB 13 und das IMS 15 an seinem Platz festzulegen. Die Kappe und das IMS können an dem Kühlkörper 30 durch ein geeignetes Klebemittel befestigt sein. Diese Kappe wird dann mit einem geeigneten Vergussmaterial durch Öffnungen in der Kappe hindurch gefüllt, die nicht gezeigt sind, und die Vergussmasse wird dann ausgehärtet.
  • Die neuartige Struktur der 4A und 4B beseitigt die übliche Isolations-Basisschale 12 nach den 1 bis 4. Weiterhin wird die thermische Verbindung zwischen dem IMS 15 und dem Substrat 15 verbessert und eine Vorprüfung der Schaltung vor der Anbringung der Abdeckkappe ist möglich.
  • Es sei bemerkt, dass wenn Bauteile auf der Unterseite der PCB 13 erwünscht sind, der Kühlkörper 30 hinterschnitten werden kann, wie dies mit gestrichelten Linien 430, 440 in 4B gezeigt ist, um den erforderlichen Raum um die Umfangsteile des Kühlkörpers 30 herum zu schaffen.
  • Als nächstes wird auf die 5 bis 9 Bezug genommen, in denen Bauteile ähnlich denen nach den 1 bis 4 die gleichen Bezugsziffern haben, wobei die Haupt-Tragschale 12 mit einem weiteren Merkmal der Erfindung modifiziert ist, wie dies in 5 gezeigt ist und eine Vielzahl von Öffnungen 110, 111, 112, 113, 114 und 115 aufweist, die so bemessen sind, dass sie jeweilige Kühlkörper aufnehmen, die voneinander isoliert sein sollen.
  • Die 6 bis 9 zeigen einen der Kühlkörper 120, der in der Öffnung 113 befestigt ist. Der Kühlkörper 120 weist eine ebene, die Halbleiterplättchen aufnehmende obere Oberfläche 121, einen mit Rippen versehenen Körper 122 und einen äußeren Flansch 123 auf. Der Hauptteil des Kühlkörpers 120 und identische Kühlkörper 121, 122, 123, 124 und 125 (8 und 9) sind in Öffnungen 113, 114, 115, 110, 111 bzw. 112 eingesetzt. Sie sind an der Schale 12 in irgendeiner gewünschten Weise befestigt, beispielsweise durch Festkleben der Unterseite der Flansche, wie z. B. des Flansches 123 des Kühlkörpers 120. Es ist zu erkennen, dass die Kühlkörper voneinander durch das Isoliermaterial der Schale 12 isoliert sind.
  • Vor oder nach dem Einbau der Kühlkörper 120 bis 125 werden einzelne Leistungs-Halbleiterplättchen 134, wie z. B. die Halbleiterplättchen 130, 131, 132, 133, 134 und 135 (8 und 9) mit den oberen Oberflächen, wie z. B. den Oberflächen 121, jedes Kühlkörpers 120 bis 125 verbunden. Die Halbleiterplättchen sind Leistungs-Halbleiterplättchen, die untere Elektroden aufweisen, die thermisch und elektrisch direkt mit ihrem jeweiligen Kühlkörper gekoppelt werden können. Die oberen Elektroden der Halbleiterplättchen 130 bis 135 werden dann zur Bildung irgendeiner gewünschten Schaltung elektrisch durch Drahtkontaktierungsverbindungen verbunden, die die Halbleiterplättchen miteinander verbinden und mit externen Leitungen verbunden sind. Diese externen Leitungen oder Anschlüsse sind als Anschluss 150, der mit jedem der Kühlkörper 123, 124 und 125 (und damit mit den unteren Elektroden der Halbleiterplättchen 133, 134 und 135) verbunden ist, als Anschlüsse 151, 152 und 153, die über Drahtkontaktierungen mit den oberen Kontakten der Halbleiterplättchen 133, 134 bzw. 135 und mit den Kühlkörpern 120, 121 bzw. 122 verbunden sind, als Anschlüsse 154, 155 und 156, die mit den oberen Metallelektroden der Halbleiterplättchen 130, 131 bzw. 132 verbunden sind, und als Steueranschlüsse 160, 161, 162, 163, 164 und 165 gezeigt, die mit den Gate- oder Steuerelektroden der Halbleiterplättchen 133 bis 135 bzw. 130 bis 132 verbunden sind. Es sei bemerkt, dass die Anschlüsse 150 bis 165 Elemente eines gemeinsamen Leiterrahmens sein können.
  • Es sei bemerkt, dass die gedruckte Steuerschaltungs-Leiterplatte, wie z. B. die Leiterplatte 13 nach den 1 bis 4 in der Schale 12 nach den 5 bis 9 oberhalb der Höhenlage der Halbleiterplättchen 130 bis 135 befestigt sein kann, um die Steuersignale zu liefern oder zu verarbeiten, die an die Steueranschlüsse 160 bis 165 angelegt werden.
  • Die in den 5 bis 9 gezeigte Erfindung beseitigt weiterhin die Notwendigkeit eines aufwändigen IMS-Substrates zur geeigneten Isolierung verschiedener der Halbleiterplättchen 130 bis 135 dadurch, dass getrennte Kühlkörper verwendet werden, und es wird weiterhin ein verbessertes thermisches Betriebsverhalten erzielt.
  • Obwohl die Struktur der Ausführungsform nach den 5 bis 9 einen getrennten Kühlkörper für ein jeweiliges Halbleiterplättchen zeigt, ist es verständlich, dass mehr als ein Halbleiterplättchen auf einem einzelnen Kühlkörper befestigt sein kann. Beispielsweise zeigen die 10 und 11 eine Ausführungsform, die drei Kühlkörper 180, 181 und 182 verwendet. Jeder der Kühlkörper trägt einen P-Kanal-MOSFET 183, 184 bzw. 185 und einen N-Kanal-MOSFET 186, 187 bzw. 188. Jeder der Kühlkörper 180 bis 182 hat eine ebene obere Oberfläche zur Aufnahme der zwei mit Abstand voneinander angeordneten Halbleiterplättchen, einen Flansch (Flansch 190 in 11) der in eine Öffnung einer Isolierschale 12 durch Kleben festgelegt werden kann, und Kühlrippen 191 oder irgendeine andere gewünschte Struktur. Die Struktur und die Schaltung können in irgendeiner gewünschten Weise fertiggestellt werden.
  • Es ist weiterhin möglich, Kühlkörper mit unterschiedlichen Größen zu mischen, wie dies in 12 gezeigt ist. So kann gemäß 12 ein langer Kühlkörper 200 mit Abstand voneinander angeordnete, miteinander (an ihren unteren Elektroden) verbundene MOSFET's 201, 202 und 203 tragen, während getrennte Kühlkörper, wie z. B. Kühlkörper 120, 121 und 122 nach den 8 und 9 vollständig elektrisch isolierte Leistungs-MOSFET's 130, 131 bzw. 132 tragen können.
  • Als nächstes wird auf die 16, 17 und 18 Bezug genommen, in denen eine weitere Ausführungsform eines weiteren Gesichtspunktes der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. So werden zwei getrennte Substrate 360 und 361, die ähnlich zu den Substraten 320 bzw. 340 sind, getrennt durch Befestigungsschrauben in dem Isolier-Trägergehäuse 382 (ähnlich dem Gehäuse 350 nach 15) gegen den Kühlkörper gepresst. Die Substrate 360 und 361 sind in getrennten Öffnungen 363 bzw. 364 (17 und 18) enthalten, und ihre oberen Oberflächen liegen durch Öffnungen 370 und 371 in der gedruckten Leiterplatte 372 frei. Die gedruckte Leiterplatte (PCB) 372 ist im Inneren des Gehäuses 382 befestigt und an diesem mit Hilfe von Schrauben 390, 391, 392 und 393 befestigt, die in Vorsprünge eingeschraubt sind, die sich einstöckig von dem Gehäuse 382 aus erstrecken. In 17 sind Vorsprünge 395 und 396 für Schrauben 391 bzw. 393 gezeigt.
  • Nach dem Zusammenbau nach den 16, 17 und 18 können das Substrat, das Silizium-Halbleiterplättchen, die PCB und (nicht gezeigte) Anschlüssse durch Drahtkontaktierungen oder auf andere Weise miteinander verbunden werden.
  • 19 zeigt eine Anordnung der Substrate 360 und 361 in Längsrichtung in einer Linie in einer längeren schmaleren Isolierschale als der nach den 16, 17 und 18. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung einer geringeren Anzahl von Schrauben 400, 401 und 402 zur Befestigung der PCB 372 an der Schale 382.
  • Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Erläuterung und Beschreibung gegeben. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die speziellen offenbarten Formen beschränken. Es sind viele Modifikationen und Abänderungen im Hinblick auf die vorstehenden Lehren möglich. Es ist vorgesehen, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht durch diese ausführliche Beschreibung beschränkt ist, sondern vielmehr durch die beigefügten Ansprüche.
  • Zusammenfassung
  • Ein Halbleiter-Leistungsmodul, das eine in sich abgeschlossene Schaltung, beispielsweise für eine Motorsteuerschaltung, ist, und das keine aufwändigen einzelnen oder mehrfachen Isoliersubstrate erfordert und den Wärmefluss von dem Halbleiterplättchen zu dem Kühlkörper (120) nicht behindert.

Claims (13)

  1. Halbleiter-Leistungsmodul, das in Kombination folgendes umfasst: eine Anzahl von Leistungs-Halbleiterplättchen, die jeweils eine untere Oberfläche und eine obere Oberfläche aufweisen; eine Isolier-Tragschale; eine Anzahl von thermisch leitenden Halbleiterplättchen-Trägereinrichtungen zur Aufnahme der unteren Oberflächen jeweiliger der Leistungs-Halbleiterplättchen; und eine gedruckte Leiterplatte, die eine darauf befindliche Steuerschaltung zur Steuerung der Betriebsweise der Anzahl von Leistungs-Halbleiterplättchen enthält; wobei die gedruckte Leiterplatte in einer Ebene und parallel zu der Ebene der Trägereinrichtung angeordnet ist; wobei die gedruckte Leiterplatte eine Anzahl von mit Abstand voneinander darin ausgebildeten Öffnungen aufweist; wobei die Isolier-Tragschale eine Anzahl von koplanaren darin ausgebildeten Öffnungen aufweist, die jeweils auf einer jeweiligen der Öffnungen in der gedruckten Leiterplatte zentriert sind; wobei die Anzahl von thermisch leitenden Trägereinrichtungen in jeweiligen der Öffnungen in der Isolations-Schale angeordnet und festgelegt ist und elektrisch voneinander durch die Isolations-Schale isoliert ist; und wobei sich Drahtkontaktierungseinrichtungen durch die Öffnungen hindurch erstrecken und die Steuerschaltungen mit jeweiligen der Leistungs-Halbleiterplättchen verbinden.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl von thermisch leitenden Trägereinrichtungen jeweils durch einen elektrisch leitenden Kühlkörper gebildet ist, und bei dem zumindest eines der Anzahl von Halbleiterplättchen an der oberen Oberfläche eines jeweiligen der Kühlkörper befestigt ist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem jede der Anzahl von thermisch leitenden Trägereinrichtungen ein elektrisch isolierendes Substrat mit einem leitenden oberen Oberflächenbereich aufweist, wobei zumindest eines der Anzahl von Halbleiterplättchen an der leitenden oberen Oberfläche jedes der Substrate befestigt ist und wobei jedes der Substrate so ausgebildet ist, dass es einen elektrisch leitenden Kühlkörper in thermischer Verbindung mit den unteren Oberflächen aufnimmt.
  4. Leistungsmodul nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei dem jede der thermisch leitenden Trägereinrichtungen eine quadratische obere Oberfläche aufweist.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei dem jede thermisch leitende Trägereinrichtung eine langgestreckte rechtwinklige Oberfläche aufweist.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem jede Trägereinrichtung zumindest zwei mit Abstand voneinander angeordnete Halbleiterplättchen auf ihrer oberen Oberfläche aufnimmt, wobei zumindest zwei Halbleiterplättchen auf jeder der Trägereinrichtungen elektrisch an ihren unteren Oberflächen miteinander verbunden sind.
  7. Leistungsmodul nach Anspruch 5, bei dem jede Trägereinrichtung zumindest zwei mit Abstand voneinander angeordnete Halbleiterplättchen auf ihrer oberen Oberfläche aufnimmt, wobei zumindest zwei Halbleiterplättchen auf jeder der Tragoberflächen elektrisch an ihren unteren Oberflächen miteinander verbunden sind.
  8. Halbleiter-Leistungsmodul mit einem dünnen ebenen, thermisch leitenden Substrat, das eine untere Oberfläche, die mit einer Kühlkörperoberfläche in Eingriff bringbar ist, und eine obere Oberfläche aufweist, die zumindest ein Leistungs-Halbleiterplättchen in Oberflächen-Oberflächenkontakt aufnimmt, wobei die obere Oberfläche des zumindest einen Halbleiterplättchens Steuerelektrodeneinrichtungen aufweist; mit einer vergrößerten ebenen gedruckten Leiterplatte, die darauf angeordnete elektrische Bauteile zur Steuerung des zumindest einen Leistungs-Halbleiterplättchens aufweist; wobei die gedruckte Leiterplatte eine darin ausgebildete Öffnung mit einer Form aufweist, die der Form des thermisch leitenden Substrates zumindest angenähert ist; wobei die gedruckte Leiterplatte in einer Ebene parallel zur Ebene des Substrates und mit Abstand oberhalb des Substrates angeordnet ist; wobei die Ebene der gedruckten Leiterplatte eng benachbart zu der Ebene des Substrates liegt, so dass die oberen Oberflächen des Substrates und der gedruckten Leiterplatte einen Abstand von weniger als ungefähr dem Doppelten der Dicke des Substrates voneinander aufweisen; und mit zumindest einer Drahtkontaktierungsverbindung, die sich von zumindest einem der Bauteile auf der gedruckten Leiterplatte durch die Öffnung in der gedruckten Leiterplatte und zu Steuerelektrodeneinrichtungen auf den Halbleiterplättchen erstreckt.
  9. Modul nach Anspruch 8, das weiterhin eine Isolierkappe einschließt, die oberhalb des Bereiches der Öffnung angeordnet ist und diese umschließt und ein mit einem Isoliermedium gefülltes Volumen oberhalb des Halbleiterplättchens umgrenzt.
  10. Modul nach Anspruch 8 oder 9, das weiterhin eine Isolierschale zur Halterung des Substrates einschließt, wobei die Isolierschale eine durchgehende Öffnung zum Freilegen der unteren Oberfläche des Substrates um eine Umfangskante hiervon freizulegen und um einen vorspringenden Tisch eines Kühlkörpers aufzunehmen, der mit der unteren Oberfläche des Substrates in Eingriff kommt, wobei die obere Oberfläche der Isolierschale die untere Oberfläche der gedruckten Leiterplatte aufnimmt und haltert.
  11. Modul nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zumindest Teile der oberen Umfangsoberfläche des Substrates an entsprechenden Umfangsteilen der Unterseite der gedruckten Leiterplatte benachbart zu der Öffnung in der gedruckten Leiterplatte befestigt sind.
  12. Modul nach Anspruch 11, bei dem die Umfangsflächen des Substrates und der gedruckten Leiterplatte aneinander durch ein Klebemittel befestigt sind.
  13. Modul nach Anspruch 10, bei dem die gedruckte Leiterplatte eine Vielzahl von darin ausgebildeten, mit Abstand angeordneten Öffnungen aufweist und bei dem die Isolierschale eine Anzahl von darin ausgebildeten koplanaren Öffnungen aufweist, die jeweils auf einer jeweiligen der Öffnungen in der gedruckten Leiterplatte zentriert sind; wobei die Anzahl von thermisch leitenden Trägereinrichtungen in jeweiligen der Öffnungen in der Isolierschale angeordnet und befestigt und elektrisch voneinander durch die Isolierschale isoliert ist, und mit Drahtkontaktierungseinrichtungen, die sich durch die Öffnungen erstrecken und die Steuerschaltungen mit jeweiligen der Leistungs-Halbleiterplättchen verbinden.
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