DE102006025453B4 - Halbleiterschaltungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Halbleiterschaltungsanordnung (1), mit:
– einer Platine (10) mit mindestens einem Platinenkontakt (11),
– einem Halbleitermodul (20) mit mindestens einem Modulkontakt (21) und
– mindestens einer Schraube (50), welche zur Befestigung des Halbleitermoduls (20) an der Platine (10) ausgebildet ist,
– wobei jeder Modulkontakt (21) einem Platinenkontakt (11) zugeordnet ist,
– wobei ein Kühlkörper (30) zum Kühlen zumindest des Halbleitermoduls (20) vorgesehen ist,
– wobei durch Befestigung mit der Schraube (50) gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Platinenkontakt (11) und dem zugeordneten Modulkontakt (21) einerseits und ein mechanischer und thermischer Kontakt und eine Befestigung zwischen dem Halbleitermodul (20) und dem Kühlkörper (30) andererseits ausgebildet sind,
– wobei ein jeweiliger Modulkontakt (21) als Einpresskontakt und ein jeweils zugeordneter Platinenkontakt (11) als Einpressausnehmung ausgebildet sind und
– wobei durch die Befestigung mit der Schraube (50) das Halbleitermodul (20) mit seinem mindestens einen Modulkontakt...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltungsanordnung.
  • Insbesondere betrifft vorliegende Erfindung einerseits auch ein so genanntes Press-Fit-Modul und andererseits ein so genanntes Einpress-Leistungshalbleitermodul – z. B. ein Einpress-IGBT/MOSFET-Modul – für einfache Kühlkörper und die PCB-Montage mit oder ohne Deckel und insbesondere entsprechende Module mit in einem Deckel integrierter Ansteuer- und/oder Schutzfunktion.
  • Beim Aufbau von Halbleiterschaltungsanordnungen werden auf einen Trägersubstrat, welches zum Beispiel als Leiterkarte, als Träger oder als Platine bezeichnet werden und ausgebildet sein kann, eine Vielzahl von diskreten elektronischen Bauelementen, monolithisch oder hybrid integrierten Schaltungen untereinander und mit zumindest einem Halbleitermodul, in dem nennenswerte Verlustleistung entsteht, verbunden, wobei für die Halbleitermodule zusätzlich die Verbindung mit einem Kühlkörper hergestellt werden muss.
  • Problematisch ist dabei die mechanische Befestigung der Halbleitermodule am Substrat einerseits, andererseits deren elektrische Kontaktierung und Integration in der gesamten Schaltungsanordnung und zum dritten eine gegebenenfalls notwendige thermische Anbindung an entsprechende Wärmesenken oder dergleichen.
  • Bisher waren zur vollständigen Bestückung und Endfertigung entsprechender Schaltungsanordnungen verschiedene Arbeitsschritte notwendig, z. B. ein Schritt der Befestigung des Halbleitermoduls auf dem Träger, ein Schritt der Befestigung des Kühlkörpers entweder auf der Platine oder auch am Halbleitermodul selbst sowie ein Schritt der elektrischen Verbindung der angebrachten Module mit der Platine und der darauf weiter vorgesehenen Schaltung.
  • Die US 6,417,532 B2 betrifft ein Leistungshalbleitermodul, bei welchem Kontakte über Schrauben mit einer Platine einerseits und mit einem Kühlkörper andererseits verbunden sind, um eine mechanische und elektrische/thermische Verbindung auszubilden.
  • Die DE 103 06 643 A1 betrifft eine Druckkontaktierung für Leistungshalbleitermodule unter Verwendung so genannter Federkontakte.
  • Bei der DE 10 2004 037 656 A1 wird eine Bauteileanordnung mit optimierter Montagefähigkeit offenbart, bei welcher in einem Gehäuseteil außerhalb eines Deckels ein Steuerelement vorgesehen ist.
  • Die DE 103 16 355 B3 schließlich betrifft ein Leistungshalbleitermodul, bei welchem insbesondere auf eine besonders flexible äußere Anschlussbelegung abgestellt wird und bei welchem ebenfalls Kontaktfedern vorgesehen sind, um Anschlüsse auf einem Halbleitersubstrat extern mit Kontaktpunkten zu verbinden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterschaltungsanordnung anzugeben, bei welcher die notwen digen Montageschritte in ihrer Vielzahl reduziert und vereinfacht werden können.
  • Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einer Halbleiterschaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltungsanordnung mit einer Platine mit mindestens einem Platinenkontakt, einem Halbleitermodul mit mindestens einem Modulkontakt und mindestens einer Schraube, welche zur Befestigung des Halbleitermoduls an der Platine ausgebildet ist, wobei jeder Modulkontakt einem Platinenkontakt zugeordnet ist, wobei ein Kühlkörper zum Kühlen zumindest des Halbleitermoduls vorgesehen ist, wobei durch Befestigung mit der Schraube gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Platinenkontakt und dem zugeordneten Modulkontakt einerseits und ein mechanischer und thermischer Kontakt und eine Befestigung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlkörper andererseits ausgebildet sind, wobei ein jeweiliger Modulkontakt als Einpresskontakt und ein jeweils zugeordneter Platinenkontakt als Einpressausnehmung ausgebildet sind und wobei durch die Befestigung mit der Schraube das Halbleitermodul mit seinem mindestens einen Modulkontakt in die Platine eingepresst ist.
  • Es ist ein Kerngedanke, bei einer Halbleiterschaltungsanordnung ein Halbleitermodul auf einer Platine derart mittels einer Schraube zu befestigen, dass bei der Befestigung gleichzeitig eine mechanische und elektrische Kon taktierung stattfindet zwischen Modulkontakten auf dem Halbleitermodul und jeweils zugeordneten Platinenkontakten auf der Platine. Weiterhin kann im gleichen Arbeitsschritt außerdem direkt die mechanische und thermische Verbindung zum Kühlkörper hergestellt werden. Auf diese Art und Weise entfallen bestimmte Zwischenarbeitsschritte, die ein mechanisches, thermisches und elektrisches Anbinden jeweils einzeln realisieren, weil mit Befestigung durch die Schraube oder die Schrauben sämtliche mechanischen, elektrischen und thermischen Kontaktprobleme gleichzeitig gelöst werden.
  • Es wird somit eine Halbleiterschaltungsanordnung geschaffen mit einer Platine mit mindestens einem Platinenkontakt, einem Halbleitermodul mit mindestens einem Modulkontakt und mit mindestens einer Schraube, welche zur Befestigung des Halbleitermoduls an der Platine ausgebildet ist, wobei jeder Modulkontakt einem Platinenkontakt zugeordnet ist und wobei durch Befestigung mit der Schraube gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Platinenkontakt und dem zugeordneten Modulkontakt ausgebildet ist.
  • Es ist dabei ein Kühlkörper vorgesehen zum Kühlen zumindest des Halbleitermoduls.
  • Durch Befestigung mit der Schraube werden ein mechanischer und thermischer Kontakt und eine Befestigung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlkörper ausgebildet.
  • Ein Modulkontakt ist als – insbesondere federartiger oder elastischer – Einpresskontakt und ein zugeordneter Platinenkontakt als Einpressausnehmung ausgebildet.
  • Zur Aufnahme des Körpers der Schraube können die Platine, das Halbleitermodul und gegebenenfalls der Kühlkörper je ein Befestigungsloch aufweisen, die einander zugeordnet sind und/oder sich bei und zur Befestigung querschnittsmäßig und/oder fluchtend decken.
  • Der Kopf der Schraube kann sich auf der Platine abstützen, insbesondere in deren Oberseite oder Oberfläche versenkt.
  • Zwischen der Platine und dem Kopf der Schraube können aber auch ein Deckelelement, ein Deckel oder ein Zwischenstück vorgesehen sein.
  • Dabei kann sich der Kopf der Schraube dann auf dem Deckelelement, Deckel oder Zwischenstück – insbesondere in der jeweiligen Oberseite oder Oberfläche davon versenkt – abstützen.
  • Im Deckel kann eine Steuerelektronik für die der Halbleiterschaltungsanordnung zugrunde liegende Halbleiterschaltung und/oder für das Halbleitermodul vorgesehen sein.
  • Das Halbleitermodul kann in seinem Befestigungsloch für die Schraube ein zur Schraube passendes Gewinde aufweisen. Dabei können das Befestigungsloch und ggf. das Gewinde im Gehäuse des Moduls ausgebildet sein.
  • Der Kühlkörper kann in seinem Befestigungsloch für die Schraube ein zur Schraube passendes Gewinde aufweisen.
  • Die Platine kann als ein oder mit einem DCB-Substrat ausgebildet sein.
  • Die Platine kann als eine oder mit einer PCB-Struktur ausgebildet sein.
  • Die Halbleiterschaltungsanordnung kann als Leistungshalbleiterschaltungsanordnung ausgebildet sein.
  • Das Halbleitermodul kann als Leistungshalbleitermodul ausgebildet sein.
  • Das Halbleitermodul kann mit oder aus mindestens einem Element aus der Gruppe ausgebildet sein, die gebildet wird von IGBTs, MOSFETs, Sensoren, Thyristoren, ICs und Dioden.
  • Auf der Oberseite der Platine – insbesondere in deren Oberseite oder Oberfläche versenkt – kann sich der Kopf der Schraube abstützen und auf der Unterseite der Platine kann das Halbleitermodul mit seiner Oberseite angebracht sein.
  • An der Unterseite des Halbleitermoduls kann der Kühlkörper mit seiner Oberseite angebracht sein.
  • Auf der Oberseite der Platine kann ein Deckel mit seiner Unterseite angebracht sein, wobei sich der Kopf der Schraube auf der Oberseite oder Oberfläche des Deckels – insbesondere in dessen Oberseite versenkt – abstützt.
  • Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch anhand der nachstehenden Bemerkungen:
    Die Montage eines Leistungshalbleitermoduls soll in einem Fertigungsschritt sowohl mit dem Kühler als auch mit der Leiterplatte verbunden werden. Dabei soll eine sehr zuverlässige Verbindungstechnik z. B. zu einem PCB zum Einsatz kommen, welche auch bei hohem Verschmutzungsgrad zuverlässig funktioniert. Zusätzlich soll auch die Möglichkeit zur Übertragung von Steuersignalen zu IPMs gegeben sein.
  • Es gibt derzeit kein Produkt, welches diese grundlegende Problematik löst. Es gibt zwei unterschiedliche Lösungen in herkömmlicher Form, die entweder die einfache Montage im Sinne eines Miniskipmoduls oder aber die zuverlässige Verbindungstechnik im Sinne eines Econo-Press-Fits realisieren. Das Miniskiipmodul wird in einem Arbeitsgang durch eine Schraubverbindung gleichzeitig mit Kühler und Leiterplatte verbunden. Es arbeitet dabei mit Federkontakten zur Leiterplatte, die bei verschmutzten und korrosiven Umgebungen hochohmig werden können, das heißt, dass sich mit der Zeit oder bei der Montage der elektrische Kontakt verschlechtert. Weiterhin sind diese Kontakte nicht für IPM-Steuersignale nutzbar, weil sie eine gewisse Strom- und Spannungsbelastung benötigen, um nicht hochohmig zu werden. Diese Kontaktprobleme lösen Econo-Module als Löt- oder Press-Fit-Version in ausgezeichneter Art und Weise. Allerdings sind bei diesen Econo-Modulen zwei voneinander getrennte Montageschritte notwendig, zum einen das Einlöten oder Einpressen des Moduls in die Leiterplatte. Und zum anderen das Verschrauben des Moduls mit dem Kühlerelement.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden die Stärken beider Konzepte miteinander kombiniert, indem nämlich die Press-Fit-Kontakte des Moduls mit einer Schraube in der Platine hineingezogen werden, die gleichzeitig das Modul am Kühler befestigt.
  • Der Kern der Erfindung ist somit gemäß dieser Sichtweise, den Einpress-Prozess der Press-Fit-Kontakte überflüssig zu machen. Dieser Prozess wird durch eine Schraubverbindung, die ohnehin notwendig ist, um das Modul am Kühlkörper zu befestigen, sichergestellt. Somit wird ein Fertigungsprozess eingespart.
  • Weiterhin ergeben sich diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung auch anhand der weiteren Bemerkungen, die nachfolgend aufgeführt sind:
    Zielsetzung ist unter anderem, einen Aufbau für eine Halbleiterschaltungsanordnung zu erreichen, welcher eine möglichst einfache Montage in einem einzigen Arbeitsschritt ermöglicht, so dass a) eine Befestigung am PCB, b) eine Befestigung am Kühlkörper und c) eine elektrische Verbindung z. B. zwischen PCB und Modul – z. B. einem Modul mit oder aus IGBTs, MOSFETs, Sensoren, Thyristoren, ICs und Dioden – gleichzeitig bei der Montage entstehen.
  • Bisher wurden elektrische Verbindungen durch Löten, Schrauben und Federkontakt hergestellt. Als zusätzlicher Arbeitschritt wurde das Modul – z. B. ein Modul mit oder aus IGBTs, MOSFETs, Sensoren, Thyristoren, ICs und Dioden – auf den Kühlkörper geschraubt.
  • Nachteilig ist dabei der größere Fertigungsaufwand.
  • Bei der Erfindung kontaktiert mittels Einpresskontakt das Modul mit der PCB und befestigt im selben Arbeitsgang die PCB-Struktur und das Modul – z. B. ein Modul mit oder aus IGBTs, MOSFETs, Sensoren, Thyristoren, ICs und Dioden – mit dem Kühlkörper.
  • Zusätzlich kann in einen vorgesehenen Deckel noch eine Treiberelektronik integriert sein.
  • Das Einpressen eines Moduls – z. B. eines Moduls mit oder aus IGBTs, MOSFETs, Sensoren, Thyristoren, ICs und Dioden – in eine PCB-Struktur mit gleichzeitiger mechanischer Befestigung der PCB-Struktur und des Weiteren mit gleichzeitiger Befestigung des Moduls auf dem Kühlmedium ist also ein Kerngedanke eines Aspekts der vorliegenden Erfindung.
  • Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden mit anderen Worten auch anhand der nachstehenden Erläuterungen illustriert:
    In der Entwicklung der Leistungselektronik im Leistungsbereich von 1 bis 50 kW zeichnen sich zur Zeit zwei Aspekte oder Trends ab, die den Aufbau leistungselektronischer Geräte langfristig drastisch verändern könnten:
    • – Wunsch zur Verwendung lötfreier Montagetechniken für das Leistungshalbleitermodul Bedingt durch die zunehmende Miniaturisierung von Komponenten der Signalverarbeitung in der Leistungselektronik, die Umstellung auf bleifreie Lötung sowie das Bestreben die Anzahl der Prozessschritte bei der Fertigung leistungselektronischer Geräte zu vermindern wird von manchen Anwendern die Lötung bedrahteter Leistungshalbleitermodule auf Wellenlötanlagen, Selektivlötanlagen oder an manuellen Arbeitsplätzen nicht mehr gewünscht. Die Hersteller von Leistungshalbleitermodulen haben auf diesen Wunsch durch die Einführung von Modulen für lötfreier Montagetechniken oder durch Entwicklung von Modulen die im Reflow-Lötprozess verarbeitet werden können reagiert. Als besonders vorteilhaft werden Lösungen angesehen, bei denen die elektrische Verbindung zur Leiterplatte und die thermische Verbindung zu Kühlkörper im gleichen Prozessschritt hergestellt werden können.
    • – Integration von Ansteuer- und Schutzfunktionen sowie einer Potentialtrennung der Ansteuersignale in das Leistungshalbleitermodul, das dadurch zum Intelligent Power Module (IPM) wird. Leistungshalbleitermodule, die Ansteuer- und Schutzfunktionen enthalten werden seit ca. 15 Jahren auf dem Markt angeboten. Die Kontaktierung der Steuersignale erfolgt dabei in bedrahteter Anschlusstechnik oder über Stecker. Die zusätzliche Integration der Potentialtrennung der Ansteuersignale wird ebenfalls vereinzelt realisiert. Derartige IPM-Module konnten in regional begrenzten Märkten und für bestimmte Anwendungen erhebliche Marktanteile gewinnen und es ist zu erwarten, dass langfristig auch in den Märkten, die bisher von klassischen Leistungshalbleitermodulen dominiert wurden ein Interesse an IPMs besteht, wenn ein den Kundenerwartungen entsprechender Funktionsumfang integriert werden kann.
  • Derzeit sind keine Produkte bekannt, die beiden Aspekten und Trends gerecht werden und also eine unmittelbare und lötfreie Verbindung mit der anwendungsseitigen Leiterplatte ermöglichen.
  • Anwender, die einerseits ein IPM einsetzen wollen und andererseits keinen Lötprozess für das IPM wünschen, können heute nur IPMs einsetzen, bei denen die Steueranschlüsse über mit Steckverbindungen versehene Kabel und die Leistungsanschlüsse über Schraubkontakte mit der Leiterplatte des Gerätes verbunden werden. Derartige Verbindungstechniken bedingen eine hohe Anzahl an Teilen sowie einen hohen Fertigungs- und Prüfaufwand.
  • Bei lötfreien Verbindungstechniken sind neben dem Leistungshalbleitermodul selbst Zubehörteile erforderlich. Bei den Technologien, bei denen im selben Schritt die thermische Verbindung zum Kühlkörper hergestellt wird, bleiben diese Teile nach Montage im System. Über dieses Zubehörteil wird zur Aufrechterhaltung der elektrischen und thermischen Verbindung eine Kraft in das Leistungshalbleitermodul permanent eingeleitet oder es dient permanent der Einleitung der Kraft zur thermischen Verbindung und zeitweise (während der Montage) zur Einleitung der Einpresskraft für die elektrische Verbindung. Da diese Zubehörteile, anders als etwa das Werkzeug bei der klassischen Einpressmontage, im System verbleiben, können in diese Teile elektrische Funktionen integriert werden. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Zubehörteil, der Leiterkarte oder dem Leistungshalbleitermodul können dabei mit den gleichen lötfreien Verbindungstechniken realisiert werden wie die Verbindung zwischen Leiterkarte und Leistungsmodul, also Federkontakt oder Einpresskontakt. Leistungshalbleitermodul und im Zubehörteil integrierte Ansteuer- und Schutzfunktionen werden damit nach Montage zum IPM.
  • Es ergeben sich weitere Vorteile:
    • – Die Elektronik für Ansteuer- und Schutzfunktionen kann an einem Platz untergebracht werden der unter thermischen und unter EMV-Gesichtspunkten günstigere Bedingungen bietet als die Integration unmittelbar im Leistungsmodul.
    • – Die Elektronik für Ansteuer- und Schutzfunktionen nimmt keinen (kostspieligen) Platz auf der DCB in Anspruch (Ein-Ebenen-Ansatz).
    • – Die Elektronik für Ansteuer- und Schutzfunktionen vergrößert nicht die Bauhöhe des Leistungshalbleitermoduls und damit den Abstand zwischen Leiterplatte und Kühlkörper (Zwei-Ebenen-Ansatz).
    • – Durch Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls, Leiterplatte und Gehäusefunktion des Zubehörteils ist die Ansteuer- und Schutzelektronik gegen im Fehlerfall in Leistungshalbleitermodul entstehendes Plasma gut geschützt. Damit kann in der Ansteuerschaltung auch eine Potentialtrennung die den Anforderungen für Sichere Elektrische Trennung genügt, integriert werden.
  • Es kann als zusätzlicher Aspekt vorgesehen sein, einen zur lötfreien Montage eines Leistungsmoduls in der Anwendungsschaltung und auf dem Kühlkörper genutztes Zubehörteil, das im Folgenden auch als Deckel bezeichnet werden kann, gleichzeitig als Gehäuse zur Integration von Ansteuer- und Schutzfunktionen zu nutzen und dadurch das Leistungshalbleitermodul zum IPM zu ergänzen.
  • Weitere konkrete Ausführungsbeispiele
  • Hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung der Gesamtanordnung ergeben sich unter anderem auch folgende Möglichkeiten:
    • – Leistungsmodule und Deckel werden über eine zentrale Schraube miteinander sowie mit Kühlkörper und kundenseitiger Leiterplatte verbunden (11).
    • – Leistungsmodul und Deckel werden über mehrere Schrauben miteinander verbunden (14)
  • Anzahl und Anordnung der Schrauben werden dabei so gewählt, das einerseits über die gesamte Fläche zwischen Modul und Kühlkörper eine ausreichend große Kraft für einen guten thermischen Kontakt aufgebracht wird und gleichzeitig die zum Einpressen der Pins und ggf. zusätzlich zum Andruck von Federkontakten erforderlichen Kräfte aufgebracht werden können, ohne dass die im Deckel auftretenden Biegekräfte zu groß werden.
  • Hinsichtlich der Ausführung der Leistungsmodule können Module mit Bodenplatte wie auch bodenplattenlose Module verwendet werden.
  • Für die Kontakte zwischen Leistungsmodul und Leiterplatte (PCB) kommen Einpresskontakte und ggf. zusätzlich Federkontakte in Frage.
  • Die Verbindung zwischen Deckel und Leiterplatte erfolgt über Einpresskontakte. Federkontakte können zusätzlich verwendet werden, sofern den besonderen Anforderungen an die Zuverlässigkeit solcher nur mit geringen Strömen belasteter Federkontakte durch konstruktive Gestaltung und Wahl der Oberfläche Rechnung getragen wird.
  • Als typische Ansteuer- und Schutzfunktionen, die im Deckel integrierbar sind, kommen in Frage:
    • – Treiber mit/ohne Potentialtrennung,
    • – Schaltungen zur Temperaturüberwachung und
    • – Schaltungen zur Strommessung
  • Folgende weitere Ausführungsformen kommen für den Deckel in Betracht, um hierdurch gleichzeitig mechanische wie auch elektrische Funktionen erfüllen zu können:
    • – Ansteuer- und Schutzelektronik auf Leiterkarte, Kunststoff-Spritz-Teil zur Krafteinleitung (13, 16), ggf. durch eingelegte Metallteile verstärkt.
    • – Ansteuer- und Schutzelektronik auf Leiterkarte, mit Moldmasse umspritzt (12, 15).
    • – Ansteuer- und Schutzelektronik auf 3D-MID (Molded Interconnect Device) aufgebaut.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert.
  • 1A–B sind schematische und geschnittene Seitenansicht bzw. Draufsichten einer Ausführungsform einer Halbleiterschaltungsanordnung, die unter bestimmten Voraussetzungen die Erfindung erläutern kann.
  • 2A–B sind schematische und geschnittene Seitenansicht bzw. Draufsichten einer weiteren Ausführungsform einer Halbleiterschaltungsanordnung, die unter bestimmten Voraussetzungen die Erfindung erläutern kann.
  • 3 ist eine perspektivische und quasifotografische Darstellung der herkömmlichen Anordnung eines Halbleitermoduls auf einer Platine während eines herkömmlichen Montageprozesses.
  • 4 zeigt in perspektivischer und fotoartiger Draufsicht die Oberseite des Halbleitermoduls aus 3 mit entsprechenden Einpresskontakten im Detail.
  • 5, 6, 8, 11, 14 sind schematische und geschnittene Seitenansichten von weiteren Ausführungsformen von Halbleiterschaltungsanordnungen die unter bestimmten Voraussetzungen die Erfindung erläutern können.
  • 10, 17, 18 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung in geschnittener Seitenansicht.
  • 7, 9, 12, 13, 15, 16 zeigen Ausführungsformen von Details der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung in Draufsicht.
  • In den 11–18 ist ein Deckel mit Steuer-/Schutzelektronik vorgesehen.
  • Nachfolgend werden für strukturell und/oder funktionell ähnliche oder vergleichbare Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine Detailbeschreibung der einzelnen Elemente wiederholt.
  • Im Folgenden wird zunächst ganz allgemein auf die Figuren Bezug genommen:
    Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterschaltungsanordnung 1 geschaffen mit einer Platine 10 mit mindestens einem Platinenkontakt 11, einem Halbleitermodul 20 mit mindestens einem Modulkontakt 21 und mindestens einer Schraube 50, welche zur Befestigung des Halbleitermoduls 20 an der Platine 10 ausgebildet ist, wobei jeder Modulkontakt 21 einem Platinenkontakt 11 zugeordnet sind und wobei durch Befestigung mit der Schraube 50 gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Platinenkon takt 11 und dem zugeordneten Modulkontakt 21 ausgebildet ist.
  • Es ist dabei ein Kühlkörper 30 vorgesehen zum Kühlen zumindest des Halbleitermoduls 20.
  • Durch Befestigung mit der Schraube 50 werden ein mechanischer und thermischer Kontakt und eine Befestigung zwischen dem Halbleitermodul 20 und dem Kühlkörper 30 ausgebildet.
  • Es sind als Modulkontakt 21 – insbesondere federartiger oder elastischer – ein Einpresskontakt und ein zugeordneter Platinenkontakt 11 als Einpressausnehmung ausgebildet. Die Einpressausnehmung kann in Form einer Buchse oder Kupplung vorgesehen sein.
  • Es können zusätzlich ein Modulkontakt 21 druckfederartig und ein zugeordneter Platinenkontakt 11 als Flächenkontakt ausgebildet sein.
  • Zur Aufnahme des Körpers 54 der Schraube 50 können die Platine 10, das Halbleitermodul 20 und gegebenenfalls der Kühlkörper 30 je ein Befestigungsloch 15, 25, 35 aufweisen, die einander zugeordnet sind und sich bei und zur Befestigung querschnittsmäßig und/oder fluchtend decken.
  • Der Kopf 52 der Schraube 50 kann sich auf der Platine 10 abstützen.
  • Zwischen der Platine 10 und dem Kopf 52 der Schraube 50 können ein Deckelelement 60, ein Deckel oder ein Zwischenstück vorgesehen sein.
  • Dabei kann sich der Kopf 52 der Schraube 50 auf dem Deckelelement 60, Deckel 60 oder Zwischenstück 60 – insbesondere in der jeweiligen Oberseite 60a oder Oberfläche 60a versenkt – abstützen.
  • Im Deckel 60 kann eine Steuerelektronik für die der Halbleiterschaltungsanordnung 1 zugrunde liegende Halbleiterschaltung und/oder für das Halbleitermodul 20 vorgesehen sein.
  • Das Halbleitermodul 20 kann in seinem Befestigungsloch 25 für die Schraube 50 ein zur Schraube 50 und deren Gewinde 56 passendes Gewinde 24 aufweisen.
  • Der Kühlkörper 30 kann in seinem Befestigungsloch 35 für die Schraube 50 ein zur Schraube 50 und deren Gewinde 56 passendes Gewinde 36 aufweisen.
  • Die Platine 10 kann als ein oder mit einem DCB-Substrat ausgebildet sein.
  • Die Platine 10 kann als eine oder mit einer PCB-Struktur ausgebildet sein.
  • Die Halbleiterschaltungsanordnung 1 kann als Leistungshalbleiterschaltungsanordnung ausgebildet sein.
  • Das Halbleitermodul 20 kann als Leistungshalbleitermodul ausgebildet sein.
  • Das Halbleitermodul 20 kann mit oder aus mindestens einem Element aus der Gruppe ausgebildet sein, die gebildet wird von IGBTs, MOSFETs und Dioden.
  • Auf der Oberseite 10a oder Oberfläche 10a der Platine 10 – insbesondere in deren Oberseite 10a oder Oberfläche 10a versenkt – kann sich der Kopf 52 der Schraube 50 abstützen und auf der Unterseite 10b der Platine 10 kann das Halbleitermodul 20 mit seiner Oberseite 20a angebracht sein.
  • An der Unterseite 20b des Halbleitermoduls 20 kann der Kühlkörper 30 mit seiner Oberseite 30a angebracht sein.
  • Auf der Oberseite 10a der Platine 10 kann ein Deckel 60 mit seiner Unterseite 60b angebracht sein, wobei sich der Kopf 52 der Schraube 50 auf der Oberseite 60a oder Oberfläche 60a des Deckels 60 – insbesondere in dessen Oberseite 60a oder Oberfläche 60a versenkt – abstützt.
  • Nunmehr wird detaillierter auf die Figuren eingegangen:
    Die 1A, 1B, 2A, 2B, 5, 6, 8, 11, 14 sind schematische und geschnittene Seitenansichten von Halbleiterschaltungsanordnungen 1, die der Erläuterung der Erfindung dienen können, sofern als Modulkontakte 21 und als Platinenkontakte 11 Einpresskontakte bzw. Einpressausnehmungen sowie die sonstigen erfindungsgemäßen Eigenschaften gemäß dem Patentanspruch 1 vorausgesetzt werden.
  • Grundlage der Halbleiterschaltungsanordnung 1 gemäß 1A, 1B ist eine Platine 10, die von einem eigentlichen Platinensubstrat 10s gebildet wird und eine Oberseite 10a oder Oberfläche 10 und eine Rückseite 10b oder Unterseite 10b aufweist, wobei auf der Oberseite 10a Bauteile 12 an gebracht sind und wobei auf der Unterseite 10b so genannte Platinenkontakte 11 ausgebildet sind.
  • Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform ein Halbleitermodul 20 mit einer Oberseite 20a und einer Unterseite 20b vorgesehen. Dieses Halbleitermodul 20 besteht aus einem Träger 24 der über eine Befestigungsschicht 23 im Bereich der Oberfläche 20a Halbleiterschaltungen in Form von Chips 22 aufweist. An diesen sind Modulkontakte 21 vorgesehen, die in dieser Ausführungsform Federelemente 40 sind oder aufweisen.
  • In der Anordnung der 1A sind die Platine 10 und das Halbleitermodul 20 noch nicht mittels der Schraube 50 montiert und voneinander räumlich getrennt.
  • In der Anordnung der 1B ist dagegen die zusätzlich vorgesehene Schraube 50 als Befestigungsmittel in die in der Platine und im Modul vorgesehenen Befestigungslöcher 15 bzw. 25 mit dem Schraubenkörper 54 eingebracht, so dass sich der Schraubenkopf 52 an der Oberfläche 10a der Platine 10 abstützt. Die Kraftwirkung und damit die Kontaktierung zwischen den Modulkontakten 21 und den Platinenkontakten 11 erfolgt über das in Eingriff bringen des Gewindes 56 am Schraubenkörper 54 mit dem Gewinde 26 im Befestigungsloch 25 des Halbleitermoduls 20 in dessen Gehäuse.
  • Durch das Vorgehen gemäß der Abfolge der 1A und 1B wird in einem einzigen Befestigungsschritt, nämlich dem Ausbilden der Schraubverbindung mittels der Befestigungsschraube 50 eine mechanische, elektrische und thermische Kontaktierung zwischen der Platine 10 einerseits und dem Halbleitermodul 20 andererseits ausgebildet.
  • Die Anordnung der 1A, 1B stellt die einfachste Form eines Befestigungskonzepts dar, das in der Erfindung Anwendung finden kann, weil dort die Befestigungsschraube 50 sich direkt mit ihrem Kopf 52 in der Oberfläche 10a der Platine 10 abstützt und sich andererseits das Gewinde 56 direkt im Körper oder Gehäuse 24 des Moduls 20 verschraubt.
  • Denkbar ist auch eine umgekehrte Anordnung, bei welcher die Platine 10 ein Gewinde 16 aufweist und sich der Kopf 52 der Schraube 50 an der Unterseite 20b, gegebenenfalls in der Unterseite 20b versenkt, des Moduls 20 abstützt.
  • Bei der 2 mit der Abfolge der Teilfiguren 2A und 2B ist das Befestigungsloch 25 des Moduls 20 ohne Gewinde 26 ausgebildet, wobei sich jedoch der Unterseite 20b des Moduls 20 gegenüberliegend ein Kühlkörper 30 mit Oberseite 30a und Unterseite 30b und einem Befestigungsloch 35 mit Gewinde 36 passend zum Gewinde 56 der Schraube 50 befindet.
  • In der Anordnung der 2A sind die Platine 10, das Halbleitermodul 20 und der Kühlkörper 30 noch nicht miteinander über die Schraube 50 verschraubt, sondern separat vorgesehen. Bei der Anordnung gemäß der 2B dagegen sind die Befestigungslöcher 15, 25 und 35 querschnittsmäßig passend oder fluchtend angeordnet und die Schraube 50 ist als Befestigungsmittel eingeführt und bildet somit eine mechanische Halterung und einen mechanischen, elektrischen und thermischen Kontakt zwischen der Platine 10, dem Halbleitermodul 20 und dem Kühlkörper 30 aus.
  • Die Anordnung der 2A, 2B stellt die nächst einfachste Form des Befestigungskonzepts dar, das in der Erfindung Anwendung finden kann, weil dort die Befestigungsschraube 50 sich direkt mit ihrem Kopf 52 in der Oberfläche 10a der Platine 10 abstützt und sich andererseits das Gewinde 56 direkt im Gewinde 36 des Kühlkörpers 30 verschraubt.
  • Denkbar ist auch eine umgekehrte Anordnung, bei welcher die Platine 10 ein Gewinde 16 aufweist und sich der Kopf 52 der Schraube 50 an der Unterseite 30b, gegebenenfalls in der Unterseite 30b versenkt, des Kühlkörpers 30 abstützt.
  • Bei der Anordnung der 3, welche eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer herkömmlichen Halbleiterschaltungsanordnung 1' wiedergibt, ist das Modul 20 mit seiner Oberseite 20a auf der Rückseite der Platine 10 vorgesehen. Befestigt und kontaktiert wird über Einsteckkontakte, gebildet von entsprechenden Platinen- und Modulkontakten 21 bzw. 11. Die Montage erfolgt über erste und zweite Andruckwerkzeuge W1 und W2 von der Vorderseite 10a bzw. von der Rückseite 10b der Platine her.
  • Vergrößert herausgestellt sind bei der 3 die als Feder-, Schnapp- oder Press-Fit-Kontakte bezeichneten Modulkontakte 21 und deren zugeordnete Gegenkontakte 11 auf der Rückseite 10b der Platine 10, nämlich in Form von Buchsen, Hülsen oder Ausnehmungen.
  • 4 zeigt in vergrößerter Darstellung die Oberseite 20a des Moduls 20 mit den Modulkontakten 21 in Form von Feder-, Schnapp- oder Einpresskontakten.
  • 5 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer weiteren Halbleiterschaltungsanordnung 1, die der Erläuterung der Erfindung dienen können, sofern als Modulkontakt 21 und als Platinenkontakt 10 Einpresskontakte bzw. Einpressausnehmungen vorausgesetzt werden.
  • Grundlage dieser Halbleiterschaltungsanordnung 1 ist wieder eine Platine 10, die von einem eigentlichen Platinensubstrat 10s gebildet wird und eine Oberseite 10a oder Oberfläche 10 und eine Rückseite 10b oder Unterseite 10b aufweist, wobei auf der Oberseite 10a Bauteile 12 angebracht sind und wobei auf der Unterseite 10b so genannte Platinenkontakte 11 ausgebildet sind.
  • Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform ein Halbleitermodul 20 mit einer Oberseite 20a und einer Unterseite 20b vorgesehen. Dieses Halbleitermodul 20 besteht aus einem Träger 24 der über eine Befestigungsschicht im Bereich der Oberfläche 20a Halbleiterschaltungen in Form von Chips 22 aufweist. An diesen sind Modulkontakte 21 vorgesehen, die in dieser Ausführungsform Federelemente 40 in Ausnehmungen 28 des Modulgehäuses 27 aufweisen.
  • Auf der Rückseite 20b des Moduls 20 ist ein Kühlkörper mit seiner Oberseite 30a angebracht. An der Oberseite 20a des Moduls 20 schließt sich die Platine 10 mit ihrer Unterseite 10b und den Platinenkontakten 11 an. An der Oberseite 10a der Platine 10 stützt sich der Deckel 60 mit seiner Unterseite 60b ab. Der Deckel kann – wie in dieser Ausführungsform – ein Ansteuer- und/oder Schutzfunktion A in Form einer entsprechenden Ansteuer- und/oder Schutzelektronik oder -schaltung A oder einen Teil davon aufweisen.
  • Deckel 60, Platine 10, Modul 20 und Kühlkörper 30 weisen sich in der fertigen Montage deckende Befestigungslöcher 65, 15, 25 bzw. 35 auf. Durch die Montage durch Verschrauben mit der hier nicht gezeigten Schraube 50 entsteht die hier gezeigte Anordnung, bei welcher die Federkontakte 40 einen mechanischen und elektrischen Kontakt herstellen zwischen den Modulkontakten 21 und den Platinenkontakten 11, wobei auch eine mechanischer und thermischer Kontakt zwischen Modul 20 und Kühlkörper 30 bewirkt wird.
  • Die 6 und 7 einerseits und 8 und 9 andererseits zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht bzw. Draufsicht erfindungsgemäße Anordnungen 1, die der Erläuterung der Erfindung dienen können, sofern als Modulkontakte und als Platinenkontakte Einpresskontakte bzw. Einpressausnehmungen vorausgesetzt werden, mit Deckel 60, Platine 10, Modul 20 und Kühlkörper 30, und zwar mit einer bzw. mit zwei Schrauben 50. Dabei weisen die Kühlkörper 30 in den Befestigungslöchern 35 die Gegengewinde 36 zu den Gewinden 56 der Schrauben 50 auf. Die Köpfe 52 der Schrauben 50 stützen sich auf den Oberseiten 60a der Deckel 60 ab.
  • In 11, 14 sind weitere derartige Anordnungen gezeigt.
  • In 10, 17, 18 sind in schematischer und geschnittener Seitenansicht erfindungsgemäße Anordnungen 1 mit federartigen Einpresskontakten als oder für Modulkontakte 21 dargestellt.
  • Die 12, 13, 15, 16 zeigen weitere Ausführungsformen von Details der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung in Draufsicht.
  • In den 11–18 ist ein Deckel mit Steuer-/Schutzelektronik A vorgesehen.
    • 1'
    herkömmliche Halbleiterschaltungsanordnung, herkömmliche Leistungshalbleiterschaltungsanordnung
    1
    erfindungsgemäße Halbleiterschaltungsanordnung, erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltungsanordnung
    10
    Platine, Platinenelemente, Schaltungssubstrat, Substrat
    10a
    Oberseite
    10b
    Unterseite
    10s
    Platinensubstrat, Substrat
    11
    Platinenkontakt, Einpresskontakt, Federkontakt, Press-Fit-Kontakt
    12
    Platinenkörper
    13
    Bauelement
    15
    Befestigungsloch
    16
    Gewinde
    20
    Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul
    20a
    Oberseite
    20b
    Unterseite
    21
    Modulkontakt
    22
    Chip
    23
    Befestigungsschicht
    24
    Modulkörper
    25
    Befestigungsloch
    26
    Gewinde
    27
    Modulgehäuse
    28
    Ausnehmung
    30
    Kühlkörper
    30a
    Oberseite
    30b
    Unterseite
    35
    Befestigungsloch
    36
    Gewinde
    40
    Federkontakt
    50
    Schraube, Befestigungsschraube
    52
    Kopf, Schraubenkopf
    54
    Körper, Schraubenkörper
    56
    Gewinde
    60
    Deckelelement, Deckel, Zwischenstück
    60a
    Oberseite
    60b
    Unterseite
    65
    Befestigungsloch
    66
    Gewinde
    A
    Ansteuer-/Schutzelektronik, Ansteuer-/Schutzschaltung, Ansteuer-/Schutzfunktion
    W1
    Werkzeug
    W2
    Werkzeug

Claims (15)

  1. Halbleiterschaltungsanordnung (1), mit: – einer Platine (10) mit mindestens einem Platinenkontakt (11), – einem Halbleitermodul (20) mit mindestens einem Modulkontakt (21) und – mindestens einer Schraube (50), welche zur Befestigung des Halbleitermoduls (20) an der Platine (10) ausgebildet ist, – wobei jeder Modulkontakt (21) einem Platinenkontakt (11) zugeordnet ist, – wobei ein Kühlkörper (30) zum Kühlen zumindest des Halbleitermoduls (20) vorgesehen ist, – wobei durch Befestigung mit der Schraube (50) gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Platinenkontakt (11) und dem zugeordneten Modulkontakt (21) einerseits und ein mechanischer und thermischer Kontakt und eine Befestigung zwischen dem Halbleitermodul (20) und dem Kühlkörper (30) andererseits ausgebildet sind, – wobei ein jeweiliger Modulkontakt (21) als Einpresskontakt und ein jeweils zugeordneter Platinenkontakt (11) als Einpressausnehmung ausgebildet sind und – wobei durch die Befestigung mit der Schraube (50) das Halbleitermodul (20) mit seinem mindestens einen Modulkontakt (21) in die Platine (10) eingepresst ist.
  2. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, bei welcher sich der Kopf (52) der Schraube (50) auf der Platine (10) – insbesondere in deren Oberseite (10a) versenkt – abstützt.
  3. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher sich auf der Oberseite (10a) der Platine (10) – insbesondere in deren Oberseite (10a) versenkt – der Kopf (52) der Schraube (50) abstützt und auf der Unterseite (10b) der Platine (10) das Halbleitermodul (20) mit seiner Oberseite (20a) angebracht ist.
  4. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, – bei welcher zwischen der Platine (10) und dem Kopf (52) der Schraube (50) ein Deckelelement (60) vorgesehen ist und – bei welcher sich der Kopf (52) der Schraube (50) auf dem Deckelelement (60) – insbesondere in dessen Oberseite (60a) versenkt – abstützt.
  5. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 4, bei welcher auf der Oberseite (10a) der Platine (10) ein Deckelelement (60) mit seiner Unterseite (60b) angebracht ist, wobei sich der Kopf (52) der Schraube (50) auf der Oberseite (60a) des Deckelelements (60) – insbesondere in dessen Oberseite (60a) versenkt – abstützt.
  6. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher im Deckelelement (60) eine Steuerelektronik und/oder eine Schutzelektronik (A) für die der Halbleiterschaltungsanordnung (1) zugrunde liegende Halbleiterschaltung und/oder für das Halbleitermodul (20) vorgesehen sind.
  7. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zur Aufnahme des Körpers (54) der Schraube (50) die Platine (10), das Halbleitermodul (20), gegebenenfalls das Deckelelement (60) und gegebenenfalls der Kühlkörper (30) je ein Befestigungsloch (15, 25, 65, 35) aufweisen, die einander zugeordnet sind und sich bei und zur Befestigung sich querschnittsmäßig fluchtend decken.
  8. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Halbleitermodul (20) in seinem Befestigungsloch (25) für die Schraube (50) ein zur Schraube (50) passendes Gewinde (26) aufweist.
  9. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Kühlkörper (30) in seinem Befestigungsloch (35) für die Schraube (50) ein zur Schraube (50) passendes Gewinde (36) aufweist.
  10. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Platine (10) als ein oder mit einem DCB-Substrat ausgebildet ist.
  11. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Platine (10) als eine oder mit einer PCB-Struktur ausgebildet ist.
  12. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche als Leistungshalbleiterschaltungsanordnung ausgebildet ist.
  13. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Halbleitermodul (20) als Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist.
  14. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Halbleitermodul (20) mit oder aus mindestens einem Element aus der Gruppe ausgebildet ist, die gebildet wird von IGBTs, MOSFETs, Thyristoren, ICs und Dioden.
  15. Halbleiterschaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher an der Unterseite (20b) des Halbleitermoduls (20) der Kühlkörper (30) mit seiner Oberseite (30a) angebracht ist.
DE102006025453A 2006-05-31 2006-05-31 Halbleiterschaltungsanordnung Revoked DE102006025453B4 (de)

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