DE102008033465A1 - Halbleiterbaugruppe mit einem Gehäuse - Google Patents

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Abstract

Es werden eine Halbleiterbaugruppe, ein Leistungshalbleitermodul, ein Gehäuse und Verfahren zum Zusammenbauen des Leistungshalbleitergehäuses offenbart. Eine Ausführungsform mit einem elektrisch isolierenden Substrat besitzt ein inneres Gehäuse mit einer Abdeckung und einer Randzone und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone angeordnetes Druckelement. Das Druckelement wird elastisch mit dem inneren Gehäuse gekoppelt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und ein Gehäuse für ein Leistungshalbleitermodul.
  • Ein Leistungshalbleitermodul stellt mindestens zwei Leistungshalbleiterkomponenten bereit, wie zum Beispiel Leistungstransistoren, die im Betrieb Wärme erzeugen. Die Leistungshalbleiterkomponenten sind auf einem elektrisch isolierenden Substrat, zum Beispiel einem keramischen Substrat, in dem Modul angebracht. Das Modul enthält außerdem typischerweise ein Gehäuse, das so angeordnet ist, dass es die Leistungshalbleiterkomponenten umgibt und sie vor Beschädigung schützt. Aufgrund der durch Leistungshalbleiterkomponenten im Betrieb erzeugten Wärme wird das isolierende Substrat des Leistungshalbleitermoduls in der Regel an einem Kühlkörper angebracht. Das Modul kann an dem Kühlkörper durch Druckkontakt angebracht werden, der durch eine auf das Gehäuse durch ein Befestigungsmittel, wie etwa eine Schraube, ausgeübte Kraft produziert wird. Auf das Gehäuse muss eine beträchtliche Kraft ausgeübt werden, um die Wärmeleitung von dem isolierenden Substrat zu dem Kühlkörper sicherzustellen. Eine zu große Kraft auf das Gehäuse kann das isolierende Substrat irreversibel beschädigen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis von Ausgestaltungen geben und sind in die vorliegende Beschreibung integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen zeigen Ausgestaltungen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien von Ausgestaltungen. Andere Ausgestaltungen und viele der angestrebten Vorteile von Ausgestaltungen sind ohne weiteres erkennbar, da sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschrei bung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende ähnliche Teile.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Gehäuses für ein Leistungshalbleitermodul.
  • 2 zeigt eine Draufsicht des Gehäuses von 1.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Baugruppe eines Leistungshalbleitermoduls mit dem Gehäuse von 1 und 2.
  • 4 zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der Baugruppe eines in 3 abgebildeten Leistungshalbleitermoduls.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Baugruppe des Leistungshalbleitermoduls von 3 im zusammengebauten Zustand.
  • Ausführliche Beschreibung
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausgestaltungen gezeigt sind, auf welche Weise die Erfindung genutzt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa "oben", "unten", "vorne", "hinten", "vorderes", "hinteres" usw. in Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausgestaltungen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie lediglich zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausgestaltungen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht im einschränken den Sinne aufzufassen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen – sofern nicht anders angegeben – miteinander kombiniert werden können.
  • Eine oder mehrere Ausgestaltungen stellen ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse für ein Leistungshalbleitermodul bereit. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Gehäuse ein elektrisch isoliertes Substrat, wobei das Gehäuse ein inneres Gehäuse mit einer Abdeckung und eine Randzone aufweist, und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone angeordnetes Druckelement. Das Druckelement ist elastisch mit dem inneren Gehäuse gekoppelt.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein Leistungshalbleitermodul offenbart, wobei das Leistungshalbleitermodul ein elektrisch isolierendes Substrat aufweist, das einen elektrisch isolierenden Körper mit einer ersten primären Oberfläche und einer zweiten primären Oberfläche, mindestens eine auf der ersten primären Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats angebrachte Leistungshalbleiterkomponente, und ein Gehäuse mit einem inneren Gehäuse umfasst, welches eine Abdeckung und eine Randzone enthält, und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone angeordnetes Druckelement. Das Druckelement ist elastisch mit dem inneren Gehäuse gekoppelt.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten offenbart: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats, das einen elektrisch isolierenden Körper mit einer ersten primären Oberfläche und einer zweiten primären Oberfläche und mindestens eine an der ersten primären Oberfläche angebrachte Leistungshalbleiterkomponente umfasst;
    Bereitstellen eines Gehäuses, das ein inneres Gehäuse, eine Abdeckung und eine Randzone enthält, und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone angeordnetes Druckelement umfasst, wobei das Druckelement elastisch mit dem inneren Gehäuse gekoppelt ist;
    Anordnen des Gehäuses dergestalt, dass die untere Oberfläche der Randzone des inneren Gehäuses in Kontakt mit der ersten primären Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats angeordnet ist und dass das mindestens eine Druckelement neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats angeordnet und in einem Abstand von einer Oberfläche beabstandet ist, an der das Gehäuse und das elektrisch isolierende Substrat anzubringen ist;
    Anwenden von Druck auf die obere Oberfläche des Druckelements des Gehäuses dergestalt, dass die untere Oberfläche des Druckelements mit der Oberfläche in Kontakt kommt und dergestalt, dass als Ergebnis der elastischen Kopplung zwischen dem Druckelement und dem inneren Gehäuse Druck auf die Randzone des inneren Gehäuses ausgeübt wird, um so das Gehäuse und die zweite primäre Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats an der Oberfläche anzubringen.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein Verfahren offenbart, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats, umfassend einen elektrisch isolierenden Körper mit einer ersten primären Oberfläche und einer zweiten primären Oberfläche und mindestens eine an der ersten primären Oberfläche angebrachte Leistungshalbleiterkomponente, mehrere Anschlüsse, die jeweils eine Druckkontaktregion aufweisen, die sich im allgemeinen senkrecht von der ersten primären Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats erstreckt; Bereitstellen eines Gehäuses, das ein inneres Gehäuse, das eine Abdeckung und eine Randzone aufweist, und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone angeordne tes Druckelement, wobei das Druckelement elastisch mit dem inneren Gehäuse gekoppelt ist;
    Bereitstellen einer Umverdrahtungsplatte, die mehrere Durchgangslöcher enthält, wobei jedes Durchgangsloch dafür ausgelegt ist, einen Druckkontakt mit einem Druckkontaktstift zu bewirken, Anordnen des Gehäuses dergestalt, dass die untere Oberfläche der Randzone des inneren Gehäuses in Kontakt mit der ersten primären Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats angeordnet wird und das mindestens eine Druckelement neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats angeordnet und in einem Abstand von einer Oberfläche beabstandet wird, an der das Gehäuse und das elektrisch isolierende Substrat anzubringen sind;
    Anordnen der Umverdrahtungsplatte auf einer oberen Oberfläche des Druckelements dergestalt, dass in jedem der Durchgangslöcher ein Druckkontaktstift angeordnet wird, um einen Druckkontakt zwischen der Umverdrahtungsplatte und dem Druckkontaktstift zu bewirken;
    Anwenden von Druck auf die obere Oberfläche des Druckelements des Gehäuses dergestalt, dass die untere Oberfläche des Druckelements mit der Oberfläche in Kontakt kommt und dergestalt, dass als Ergebnis der elastischen Kopplung zwischen dem Druckelement und dem inneren Gehäuse Druck auf die Randzone des inneren Gehäuses ausgeübt wird, um so das Gehäuse und die zweite primäre Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrats an der Oberfläche anzubringen.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer Halbleiterbaugruppe mit einem Gehäuse 10 für ein Leistungshalbleitermodul. Eine Draufsicht des Gehäuses 10 von 1 ist in 2 dargestellt. Das Gehäuse 10 umfasst ein inneres Gehäuse 12 und ein Druckelement 13. Das innere Gehäuse 12 umfasst eine Abdeckung 14 und eine Randzone 15, die sich von einer unteren Oberfläche 16 der Abdeckung 14 aus erstreckt. Die Randzone 15 kann die Form eines geschlossenen Rahmens oder eines offenen Zylinders aufweisen. Wie in der Draufsicht von 2 dargestellt, weist eine obere Oberfläche 27 der Abdeckung 14 eine rechteckige Form auf, und eine obere Oberfläche 27 der Randzone 15 weist die Form eines rechteckigen Rahmens auf. Es sind auch andere Formen für die Abdeckung 14 und die Randzone 15 möglich.
  • Das innere Gehäuse 12 enthält ferner ein Durchgangsloch 17, das durch eine zylindrische Wand 18 begrenzt wird, die eine Höhe und Dicke aufweist, die im allgemeinen der Höhe bzw. der Dicke der Randzone 15 entsprechen. Die zylindrische Wand 18 kann wie in 1 dargestellt Teil der Randzone 15 sein. Als Alternative kann die zylindrische Wand 18 an der Randzone 15 angebracht sein. Das Durchgangsloch 17 und die zylindrische Wand 18 sind in ungefähr dem lateralen Zentrum der Abdeckung 14 positioniert.
  • Das innere Gehäuse 12 stellt ein eingeschlossenes Volumen bereit, wenn die untere Oberfläche 19 der Randzone 15 und die zylindrische Wand 18 mit einer Oberfläche eines Substrats 30, die dem inneren Gehäuse 12 zugewandt ist, in Kontakt gebracht werden.
  • Das Gehäuse 10 enthält außerdem ein Druckelement 13, das konzentrisch neben äußeren Seitenflächen 20 des inneren Gehäuses 12 angeordnet ist. Das Druckelement 13 ist in einem Abstand von den äußeren Seitenflächen 20 des inneren Gehäuses 12 beabstandet und durch mehrere elastische Koppelglieder 21 elastisch mit dem inneren Gehäuse 12 gekoppelt. Das Koppelglied 21 kann wie in 1 dargestellt durch einen elastischen Streifen bereitgestellt werden.
  • Das Druckelement 13 enthält einen Rahmen 11 mit lateralen Abmessungen, die etwas größer als die lateralen Abmessungen der Abdeckung 14 und der Randzone 15 des inneren Gehäuses 12 sind. Das Druckelement 13 enthält außerdem mindestens einen Zylinder 22, der konzentrisch in dem in dem inneren Gehäuse 12 bereitgestellten Durchgangsloch 17 positioniert ist. Es ist auch möglich, für eine konzentrische Positionierung in dem Durchgangsloch 17 Elemente zu verwenden, die eine andere Form als der Zylinder 22 aufweisen. Der Zylinder 22 stellt ein erstes Durchgangsloch 23 bereit, das als Führung für eine in den 1 und 2 nicht dargestellt Schraube wirkt, mit der das Gehäuse 10 an einer Oberfläche, zum Beispiel eines Kühlkörpers, befestigt werden kann.
  • Der Zylinder 22 wird durch mehrere elastische Koppelglieder 21, die jeweils die Form eines Streifens aufweisen, elastisch mit der zylindrischen Wand 18 des inneren Gehäuses 12 gekoppelt. Als Alternative kann ein einziges Koppelglied 21 den Zylinder 22 elastisch mit der zylindrischen Wand 18 koppeln.
  • Jedes Koppelglied 21 erstreckt sich zwischen einer äußeren Seitenfläche 20 der zylindrischen Wand 18 der Randzone 15 des inneren Gehäuses 12 und einer inneren Seitenfläche 24 des Zylinders 22 bzw. des Rahmens 11 des Druckelements 13.
  • Bei der in 1 dargestellten Ausgestaltung sind die beiden Enden 25 der elastischen Streifen 21 an Stellen der äußeren Seitenfläche 20 des inneren Gehäuses 12 bzw. der inneren Seitenfläche 24 des Druckelements 13 angebracht, die lateral voneinander beabstandet sind. Jeder elastische Streifen 21 weist wie in 2 dargestellt eine Z-Form auf. Es sind auch andere Formen für den elastischen Streifen 21 möglich.
  • Das Druckelement 13 weist eine Höhe auf, die etwas größer als die Höhe der Randzone 15 und der zylindrischen Wand 18 des inneren Gehäuses 12 ist. Die Höhe des Druckelements 13 bestimmt die Höhe des zusammengebauten Gehäuses 10, wie in 5 dargestellt. Die Höhendifferenz zwischen der Randzone 15 und der zylindrischen Wand 18 des inneren Gehäuses 12 kann einige Zehntel Millimeter betragen. Es sind auch andere Werte möglich.
  • Die obere Oberfläche 26 des Druckelements 13 ist in einer Ebene über der obere Oberfläche 27 der Abdeckung 14 des inneren Gehäuses 10 positioniert. Die obere Oberfläche 26 des Druckelements 13 stellt eine Druckoberfläche bereit. An die obere Oberfläche 26 des Druckelements 13 kann eine Kraft angelegt werden, zum Beispiel über ein im Allgemeinen plattenartiges Teil, das sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 11 des Druckelements 13 erstreckt, ohne dass die Platte mit der Abdeckung 14 des inneren Gehäuses 12 in Kontakt kommt. Als Alternative kann Kraft selektiv nur auf den Zylinder 22 oder nur im Rahmen 11 des Druckelements 13 des Gehäuses 10 angewandt werden.
  • Der Rahmen 11 des Druckelements 13 besitzt eine Dicke, die größer als die Dicke des inneren Gehäuses 12 ist, um so ein formstabiles Element bereitzustellen. Die größere Wanddicke des Rahmens 11 relativ zur Dicke des inneren Gehäuses 12 ermöglicht die Anwendung einer nach unten gerichteten Kraft, d. h., parallel zu einer vertikalen Achse des Rahmens 11, die die Höhe des Rahmens 11 angibt, die über einen großen Kontaktbereich zwischen der unteren Oberfläche 19 des Rahmens 11 und einer Oberfläche, auf die er aufgepresst wird, verteilt wird. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger und homogener Kontakt zwischen dem Rahmen 11 und der Oberfläche, auf die der Rahmen 11 aufgepresst wird, bereitgestellt werden.
  • Die Abdeckung 14 des inneren Gehäuses 12 enthält außerdem mehrere zweite Durchgangslöcher 28, wie in 2 dargestellt, die einen Durchmesser aufweisen, der dafür ausgelegt ist, einen Kontaktstift 29 aufzunehmen und zu führen.
  • Das Druckelement 13, das innere Gehäuse 12 und die elastischen Koppelstreifen 21 werden in Form eines einzigen Kunststoffteils bereitgestellt, das in einem einzigen Pro zessschritt durch Spritzguss hergestellt werden kann. Durch Verwendung von Spritzguss ist das Gehäuse 10 einfach und kosteneffektiv herzustellen. Das Druckelement 13, das innere Gehäuse 12 und die elastischen Koppelstreifen 21 können durch separate Teile bereitgestellt werden. Die elastischen Koppelstreifen 21 können entweder zusammen mit dem Druckelement 13 oder dem inneren Gehäuse 12 aufgebaut werden. In diesem Fall können das Druckelement 13, das innere Gehäuse 12 und die elastischen Koppelstreifen 21 zwei Teile aufweisen.
  • 1 zeigt außerdem weitere Ausgestaltungen des Leistungshalbleitermoduls 100. Das Leistungshalbleitermodul 100 enthält außerdem ein elektrisch isolierendes Substrat 30 mit einer ersten primären Oberfläche 31 und einer zweiten primären Oberfläche 32, die der ersten primären Oberfläche 31 gegenüberliegt. Bei der Ausgestaltung von 1 ist das elektrisch isolierende Substrat 30 ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), umfassend einen elektrisch isolierenden keramischen Körper 33 aus Aluminiumoxid, mehrere strukturierte Kupferleiterbahnen (in 1 nicht dargestellt), die auf einer ersten primären Oberfläche 31 angeordnet sind, welche eine Umverdrahtungsplatte oder eine leitfähige Verteilungsstruktur darstellt, und eine geschlossene Kupferschicht, die die zweite primäre Oberfläche 32 im allgemeinen abdeckt. Das keramische Substrat 30 enthält außerdem ein Durchgangsloch 36 in ungefähr dem lateralen Zentrum des Substrats 30.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 enthält ferner mehrere Leistungshalbleiterkomponenten 34, die bei der in 1 dargestellten Ausgestaltung als Leistungstransistorbauelemente ausgebildet sind. Die Leistungstransistorbauelemente 34 sind auf der ersten primären Oberfläche 31 des keramischen Substrats 30 angebracht und durch (nicht dargestellte) Bonddrähte 35 elektrisch mit Leiterbahnen verbunden. Mehrere Kontaktstifte 26 sind auf Leiterbahnen (nicht dargestellt) angeordnet und können senkrecht zu der ersten primären Oberfläche 31 angeordnet sein.
  • Das Gehäuse 10 ist in Bezug auf das elektrisch isolierende Substrat 30, mehrere Leistungshalbleiterkomponenten 34 und Kontaktstifte 29 so angeordnet, dass die Kontaktstifte 29 in den zweiten Durchgangslöchern 28 aufgenommen werden, und dergestalt, dass die untere Oberfläche 19 der Randzone 15 und der zylindrischen Wand 18 des inneren Gehäuses 12 auf der ersten primären Oberfläche 31 des keramischen Substrats 30 positioniert wird. Die mehreren Leistungshalbleiterkomponenten 34 werden in dem durch das innere Gehäuse 12 und die erste primäre Oberfläche 31 des keramischen Substrats 30 erzeugte Volumen eingeschlossen. Das Druckelement 13 ist neben dem keramischen Substrat 30 angeordnet. Der Zylinder 22 des Druckelements 13 ist in dem Durchgangsloch 36 des keramischen Substrats 30 angeordnet und liegt neben dem keramischen Substrat 30. Das Druckelement 13 des Gehäuses 10 ist räumlich von dem keramischen Substrat 30 des Leistungshalbleitermoduls 100 getrennt.
  • 3 zeigt die Baugruppe des Leistungshalbleitermoduls 100 und seine Befestigung an einen Kühlkörper 37 durch eine Schraube 38. Wie in 3 dargestellt ist, enthält das Leistungshalbleitermodul 100 ferner eine Umverdrahtungsplatte 39 und eine Druckplatte 40. Die Umverdrahtungsplatte 39 kann eine Leiterplatte sein.
  • Die Umverdrahtungsplatte 39 und die Druckplatte 40 enthalten jeweils ein Durchgangsloch 41 bzw. 42 mit einem Durchmesser, der ungefähr gleich dem Durchmesser des Zylinders 22 des Druckelements 13 des Gehäuses 10 und mindestens dem der Schraube 38 ist. Der Durchmesser der Durchgangslöcher 41, 42 ist so ausgelegt, dass die Schraube 38 geführt wird. Der Kühlkörper 37 besitzt eine obere Oberfläche 43, auf der das Leistungshalbleitermodul 100 angebracht wird. Die obere Oberfläche 43 enthält ein Gewindeloch 44 mit geschlossenem Ende, das einen Durchmesser und einen Gewindegang aufweist, die für eine Verbindung mit dem Gewinde der Schraube 38 ausgelegt sind.
  • Das keramische Substrat 30 und das Gehäuse 10 mit der in 2 dargestellten Anordnung werden dergestalt auf der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 positioniert, dass das Durchgangsloch 36 des keramischen Substrats 30 und das Durchgangsloch 23 des Druckelements 13 koaxial mit dem Gewindeloch 44 mit geschlossenem Ende ausgerichtet werden.
  • Die Umverdrahtungsplatte 39 enthält eine Anzahl von Durchgangslöchern 45 an lateralen Positionen, die mit den lateralen Positionen der Kontaktstifte 29 korrespondieren. Die Anzahl der Durchgangslöcher 45 besitzt einen Durchmesser, der so angepasst ist, dass er mit einem Druckkontakt 46 zusammen passt, der in Richtung der nach oben zeigenden Endteile jedes der Kontaktstifte 29 positioniert ist, wenn die Umverdrahtungsplatte 39 auf der oberen Oberfläche 26 des Druckelements 13 positioniert wird.
  • Da die obere Oberfläche 26 des Druckelements 13 in einer Ebene positioniert ist, die in Bezug auf die obere Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 höher ist als die obere Oberfläche 27 des inneren Gehäuses, wohingegen die untere Oberfläche 47 der Umverdrahtungsplatte 39 in einem Abstand von der oberen Oberfläche 27 der Abdeckung 14 des inneren Gehäuses 12 beabstandet ist.
  • 5 zeigt das Leistungshalbleitermodul 100 im zusammengebauten Zustand, wobei die Umverdrahtungsplatte 39 in Kontakt mit der oberen Oberfläche 26 des Druckelements 13 positioniert ist, so dass die Druckkontakte 46 der Kontaktstifte 29 in die jeweiligen Löcher 45 der Umverdrahtungsplatte 39 gedrückt werden, um so einen Kontakt zur Übertragung von elektrischem Strom zwischen den Kontaktstiften 29 und den Leiterbahnen (nicht dargestellt) der Umverdrahtungsplatte 39 zu erzeugen.
  • Die Umverdrahtungsplatte 39 erstreckt sich in mindestens einer Richtung über die äußere Seitenfläche 50 des Gehäuses 10, um so frei zugängliche Kontaktbereiche in einer Randregion der Umverdrahtungsplatte 39 bereitzustellen. Die Halbleiterbauelemente 34 in dem Gehäuse 10 sind elektrisch über die Leiterbahnen des keramischen Substrats 30, die Kontaktstifte 29 und die Umverdrahtungsplatte 39 zugänglich.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 weist ferner eine Druckplatte 40 auf. Die Druckplatte 40 enthält eine Anzahl von Löchern 48 mit geschlossenem Ende in ihrer unteren, der Umverdrahtungsplatte 39 zugewandten Oberfläche 49. Die Anzahl von Löchern 48 mit geschlossenem Ende besitzen laterale Positionen, die mit den lateralen Positionen der Kontaktstifte 29 korrespondieren. Jedes aus der Anzahl der Löcher 48 mit geschlossenem Ende besitzt einen Durchmesser, dessen Größe dazu angepasst ist, die Endteile der Kontaktstifte 29 dergestalt aufzunehmen, dass der Endteil nicht mit der Druckplatte 40 in Kontakt kommt.
  • Nachdem die Umverdrahtungsplatte 39 auf der oberen Oberfläche 62 des Druckelements 13 unter Ausbildung der elektrischen Verbindungen zwischen den Druckkontakten 46 der Kontaktstifte 29 und der Umverdrahtungsplatte 39 platziert wurde, wird die Druckplatte 40 so auf der oberen Oberfläche 50 der Umverdrahtungsplatte 39 positioniert, dass die untere Oberfläche 49 der Druckplatte die obere Oberfläche 50 der Umverdrahtungsplatte kontaktiert und die Endteile der Kontaktstifte 29 in den Durchgangslöchern 48 der Druckplatte 40 aufgenommen werden.
  • In dieser Phase des Herstellungsprozesses wurde durch die Befestigungsmittel, bei denen es sich bei der in 3 dargestellten Ausführungsform um die Schraube 38 handelt, kein Druck auf das Gehäuse 10 ausgeübt. Es sind auch andere Befestigungsmittel wie etwa ein Clip möglich. Die Anordnung der unteren Oberfläche 51 des Druckelements 13 des Gehäuses 10 in Bezug auf die obere Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 ist in der vergrößerten Detailansicht von 4 dargestellt.
  • Wie in 4 gezeigt ist die untere Oberfläche 51 des Druckelements 13 in einem Abstand von der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 beabstandet. Dieser Abstand kann in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimeter liegen. Die zweite primäre Oberfläche 32 des keramischen Substrats 30 befindet sich in Kontakt mit der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37, ist aber noch nicht an dem Kühlkörper 37 angebracht. In der vergrößerten Ansicht von 4 sind Leiterbahnen 52 auf der ersten primären Oberfläche 31 und die geschlossene Schicht 53 auf der zweiten primären Oberfläche 32 des keramischen Substrats 30 dargestellt.
  • 5 zeigt das Leistungshalbleitermodul 100 im zusammengebauten Zustand. Die Schraube 38 ist in den jeweiligen Durchgangslöchern 42, 41, 23, 36 der Druckplatte 40, der Umverdrahtungsplatte 39, des Gehäuses 10 und des keramischen Substrats 30 des Leistungshalbleitermoduls 100 positioniert und greift in das das geschlossene Ende aufweisende Gewindeloch 44 des Kühlkörpers 37 ein. Die Kontaktstifte 29 werden frei in den Löchern 48 mit geschlossenem Ende der Druckplatte 40 aufgenommen. Ohne Kontakt zwischen der Druckplatte 40 und den Kontaktstiften 29 bleiben die Kontaktstifte 29 von der an die Druckplatte 40 angelegten Kraft unbeeinflusst, so dass die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 29 und der Umverdrahtungsplatte 39 nicht beeinträchtigt wird.
  • In dem in 5 dargestellten zusammengebauten Zustand befindet sich die untere Oberfläche 51 des Druckelements 13 als Ergebnis des durch die angezogene Schraube 38 ausgeübten Drucks nach unten in Kontakt mit der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37. Die durch die Schraube 38 ausgeübte Kraft kann zum Beispiel durch Begrenzen des durch einen Schrauben schlüssel auf die Schraube 38 angewandten Drehmoments kontrolliert werden.
  • Die untere Oberfläche 49 der Druckplatte 40 befindet sich in Kontakt mit der oberen Oberfläche 50 der Umverdrahtungsplatte 39. Die von der Schraube 38 auf die obere Oberfläche 54 der Druckplatte 40 ausgeübte Kraft wird über die Umverdrahtungsplatte 39, die sich sowohl mit der Druckplatte 40 als auch mit dem Druckelement 13 des Gehäuses 10 in Kontakt befindet, auf das Druckelement 13 des Gehäuses 10 übertragen. Diese nach unten gerichtete Kraft verbindet das Druckelement 13 mit dem Kühlkörper 37.
  • Außerdem wird eine nach unten gerichtete Kraft (siehe die Pfeile in 5) über das Druckelement 13 und die elastischen Koppelglieder 21 auf die Randzone 15 und die zylindrische Wand 18 des inneren Gehäuses 12 des Gehäuses 10 ausgeübt. Die durch das innere Gehäuse 12 auf das keramische Substrat 30 ausgeübte nach unten gerichtete Kraft verbindet das keramische Substrat 30 mit dem Kühlkörper 37.
  • Die elastischen Koppelglieder 21 wirken zur Begrenzung der Kraft, die das innere Gehäuse 12 auf das keramische Substrat 30 ausübt. Die elastischen Koppelglieder 21 werden mit der gewünschten Elastizität versehen, um so die gewünschte Übertragung des Drucks von dem Druckelement 13 auf das innere Gehäuse 12 bereitzustellen. Dies kann durch Auswahl des Materials der elastischen Koppelglieder 21 oder durch entsprechendes Anpassen ihrer Formen und/oder Abmessungen und/oder ihrer Position zwischen dem Druckelement 13 und dem inneren Gehäuse 12 erreicht werden.
  • Die Anordnung eines Druckelements 13 neben den äußeren Seitenflächen 15 des inneren Gehäuses 12 und neben dem keramischen Substrat 30 zusammen mit der elastischen Kopplung des Druckelements 13 mit dem inneren Gehäuse 12 ermöglicht ein festes Anbringen des Gehäuses 10 an der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 durch den durch die Schraube 38 ausgeübten Druck, während der auf das keramische Substrat 30 ausgeübte Druck begrenzt wird. Eine solche Anordnung verringert die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs eines Substrats 30 aufgrund einer zu großen Kraft, während ein guter Kontakt zwischen dem keramischen Substrat 30 und dem Kühlkörper 37 gewährleistet wird, der eine effiziente Wärmeableitung von dem Leistungshalbleitermodul 100 in den Kühlkörper 37 ermöglicht.
  • Die in 5 dargestellte Ausführungsform ist eine abnehmbare Anordnung des Gehäuses 10 und des elektrisch isolierenden Substrats 32 auf dem Kühlkörper 37. Falls jedoch eine feste Anbringung erwünscht sein sollte, kann ein Klebstoff zwischen der oberen Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 und der zweiten primären Oberfläche 32 des keramischen Substrats 30 und der unteren Oberfläche 51 des Druckelements 13 des Gehäuses 10 vorgesehen werden.
  • Das Druckelement 13 ist in 1 bis 5 mit der Form eines geschlossenen Rahmens 11 und eines geschlossenen Zylinders 22 neben äußeren Seitenflächen 20 des inneren Gehäuses 12 positioniert dargestellt. Das Druckelement 13 kann auch mit mehreren Druckgliedern ausgestattet sein, die nicht direkt miteinander verbunden sind, die aber elastisch mit dem inneren Gehäuse 12 gekoppelt sind. Zum Beispiel kann der Rahmen 11 durch vier Glieder ersetzt werden, die nicht direkt miteinander verbunden sind und die eine im allgemeinen rechteckige Anordnung aufweisen. Diese vier Glieder können konzentrisch neben den äußeren Seitenflächen 20 der Randzone 15 des inneren Gehäuses 12 positioniert werden. Mit solchen Anordnungen kann Inhomogenitäten der Oberfläche Rechnung getragen werden, an der das Gehäuse anzubringen ist.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 kann anders als mittels einer einzigen Schraube an einer Oberfläche befestigt werden. Zum Beispiel können mehrere Schrauben, zum Beispiel vier Schrauben, vorgesehen sein. In diesem Fall enthalten die Ab deckung 14, das Gehäuse 12, das Substrat 30, die Umverdrahtungsplatte 39 und die Druckplatte 40 mehrere Durchgangslöcher, die jeweils dafür ausgelegt sind, eine Schraube aufzunehmen. Zum Beispiel kann in Richtung jeder Ecke des Gehäuses 10 eine Schraube positioniert werden.
  • Die Befestigungsmittel können auch in Form eines Clips bereitgestellt werden, der sich zwischen der oberen Oberfläche 54 der Druckplatte und der Oberfläche 43 des Kühlkörpers 37 oder einer Oberfläche neben dem Leistungshalbleitermodul 100 erstreckt. In diesem Fall müssen das Gehäuse 10 und die Umverdrahtungsplatte und die Druckplatte keine Durchgangslöcher enthalten, die die Befestigungsmittel, zum Beispiel eine Schraube, führen sollen. Das Gehäuse 10 kann in diesem Fall ein einziges Druckelement 13 in Form eines neben den äußeren Seitenflächen 20 der Randzone 15 des inneren Gehäuses 10 positionierten Rahmens enthalten.
  • Das Gehäuse kann auch eine oder mehrere Kerben in der Randzone 15 des inneren Gehäuses enthalten, um den Eintritt eines Kühlmediums in das Gehäuse zu ermöglichen. Das Kühlmedium kann zum Beispiel eine erzwungene Luftströmung oder ein Flüssigkeitskühlmedium sein.
  • Bei anderen Ausgestaltungen (nicht dargestellt) des Leistungshalbleitermoduls 100 kann der elektrische Kontakt zwischen den Kontaktstiften 29 und der Umverdrahtungsplatte 39 nicht durch Druckkontaktverbindungen, sondern durch Löt- oder Drahtbondverbindungen bereitgestellt werden.
  • Die Umverdrahtungsplatte 39 kann die Form einer Adapterplatte mit entsprechenden Verbindungen auf einer oder mehreren Seiten zur Verbindung mit einer Leiterplatte höherer Ordnung aufweisen.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 kann ferner passive elektronische Komponenten und weitere Halbleiterkomponenten enthal ten, wie zum Beispiel Steuerchips, die auch auf der ersten primären Oberfläche 31 des keramischen Substrats 30 positioniert werden.
  • Das elektrisch isolierende Substrat kann ein keramisches Substrat wie etwa IMS (Aluminiumpolyimidkupfer) oder Aluminiumnitrid sein.
  • Die Druckplatte 40 kann mehrere Ausschnitte in Form eines Lochs mit geschlossenem Ende oder eines Durchgangslochs enthalten, um die Endteile der Kontaktstifte 29 aufzunehmen. Die Druckplatte 40 kann mit einer Randzone versehen werden, die sich von der unteren Oberfläche der Druckplatte 40 erstreckt und deren Abmessungen so ausgelegt sind, dass sie mit dem Druckelement 13 des Gehäuses 10 korrespondieren. Die Endteile der Kontaktstifte 29 können zwischen gegenüberliegenden Seiten dieser Randzone aufgenommen werden, so dass sie die Druckplatte 40 nicht kontaktieren.
  • Obwohl hier spezifische Ausgestaltungen dargestellt und beschrieben wurden, ist für Durchschnittsfachleute erkennbar, dass vielfältige alternative und/oder äquivalente Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausgestaltungen ersetzen können, ohne dabei den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Varianten der hier besprochenen spezifischen Ausgestaltungen abdecken. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt wird.

Claims (25)

  1. Halbleiterbaugruppe, umfassend: ein Gehäuse (10), das ein inneres Gehäuse (12) umfasst, das eine Abdeckung (14) und eine Randzone (15) aufweist; und mindestens ein neben einer Seitenfläche (20) der Randzone (15) angeordnetes Druckelement (13), wobei das Druckelement (13) mit dem inneren Gehäuse (12) elastisch gekoppelt ist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1 mit einem elektrisch isolierenden Substrat (30).
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Druckelement (13) durch mehrere elastische Koppelglieder (21) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt ist.
  4. Baugruppe nach Anspruch 3, bei der die elastischen Koppelglieder (21) als elastische Elemente, Streifen, Ausleger oder hohle Teile bereitgestellt werden.
  5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der das Druckelement (13), das innere Gehäuse (12) und die elastischen Koppelglieder (21) als separate Teile oder als ein einziges Teil, umfassend Kunststoff, ausgebildet sind.
  6. Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine obere Oberfläche (26) des Druckelements (13) über eine obere Oberfläche (27) des inneren Gehäuses (12) hervorsteht.
  7. Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Druckelement (13) ein Rahmen ist.
  8. Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Druckelement (13) ein im allgemeinen konzentrisch außerhalb einer äußeren Seitenfläche (20) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) angeordneter Rahmen ist und in einem Abstand von der äußeren Seitenfläche (20) des inneren Gehäuses (12) beabstandet ist.
  9. Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Abdeckung (14) ferner ein erstes Durchgangsloch (17) als Führung für eine Schraube (38) aufweist, mit der das Gehäuse (10) an einem Kühlkörper (37) befestigt werden kann.
  10. Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Abdeckung ferner mehrere zweite Durchgangslöcher (28) als Führung für einen Kontaktstift (29) zur Herstellung einer Presspassverbindung umfasst.
  11. Leistungshalbleitermodul, umfassend: ein elektrisch isolierendes Substrat (30), das einen elektrisch isolierenden Körper (33) mit einer ersten primären Oberfläche (31) und einer zweiten primären Oberfläche (32) umfasst; mindestens eine auf der ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) angebrachte Leistungshalbleiterkomponente (34), und ein Gehäuse (10), das ein inneres Gehäuse (12) umfasst, das eine Abdeckung (14) und eine Randzone (15) aufweist, und mindestens ein neben einer Seitenfläche der Randzone (15) angeordnetes Druckele ment (13), wobei das Druckelement (13) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt ist.
  12. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11, bei dem das Gehäuse (10) so ausgelegt ist, dass in einem unmontierten Zustand eine untere Oberfläche (19) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) in Kontakt mit einer ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) angeordnet ist, und dass das mindestens eine Druckelement (13) neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats (30) angeordnet ist und sich neben und in einem Abstand von einer Oberfläche (43) beabstandet befindet, an der das Gehäuse (10) und das elektrisch isolierende Substrat (30) ablösbar angebracht werden kann.
  13. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Gehäuse (10) so ausgelegt ist, dass in einem angebrachten Zustand die untere Oberfläche (19) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) sich in Kontakt mit der ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) befindet und das mindestens eine Druckelement (13) neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats (30) und in Kontakt mit einer Oberfläche (43) angeordnet ist, an der das Gehäuse (10) und eine zweite primäre Oberfläche (32) des elektrisch isolierenden Substrats (30) als Ergebnis eines auf die obere Oberfläche (26) des Druckelements (13) ausgeübten Drucks angebracht werden.
  14. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Druckelement (13) mittels mehrerer elastischer Streifen elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt wird.
  15. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Druckelement (13) ein im allgemeinen konzentrisch außerhalb einer äußeren Seitenfläche (20) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) angeordneter Rahmen ist und in einem Abstand von der äußeren Seitenfläche (20) des inneren Gehäuses (12) beabstandet ist.
  16. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner eine Druckplatte (40) und einen Befestigungsmechanismus umfasst.
  17. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 16, bei dem die Druckplatte (40) auf einer oberen Oberfläche (26) des Druckelements (13) des Gehäuses (10) angeordnet ist.
  18. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 16, bei dem der Befestigungsmechanismus so ausgelegt bei dem die Druckplatte (40) eine Kraft auf das Druckelement (13) ausübt, um so das Gehäuse (10) und das elektrisch isolierende Substrat (30) an einer Oberfläche (43) anzubringen.
  19. Leistungshalbleitermodul mit: einem elektrisch isolierenden Substrat (30); mindestens einer auf dem elektrisch isolierenden Substrat (30) angeordneten Leistungshalbleiterkomponente (34); einem Gehäuse (10), das ein inneres Gehäuse (12) mit einer Abdeckung (14) und mit einer Randzone (15) aufweist, und mindestens ein neben einer Seitenfläche (20) der Randzone (15) angeordnetes Druckelement (13), wobei das Druckelement (13) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt ist; einer Druckplatte (40), die auf einer Leiterplatte (39) wenigstens in Bereichen direkt über dem Druckelement (13) angeordnet ist; und einem Befestigungsmittel (38) zum Ausüben von Druck auf das Druckelement (13), um so das Gehäuse (10) und das elektrisch isolierende Substrat (30) an einer Oberfläche (43) anzubringen.
  20. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 19, bei dem das Druckelement (13) durch mehrere verschiedene elastisch Elemente (21) oder Streifen (21) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt ist.
  21. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das Druckelement (13) ein im allgemeinen konzentrisch außerhalb einer äußeren Seitenfläche (20) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) angeordneter Rahmen ist und in einem Abstand von der äußeren Seitenfläche (20) des inneren Gehäuses (12) beabstandet ist.
  22. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die Leiterplatte (39) durch sich zwischen dem elektrisch isolierenden Substrat (30) erstreckende Kontaktstifte (29) elektrisch mit der mindestens einen Leistungshalbleiterkomponente (34) verbunden ist.
  23. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem die Druckplatte (40) ferner mehrere Ausschnitte (48) umfasst, wobei jeder Ausschnitt (48) dafür ausgelegt ist, das Kontaktstiftende (46) aufzunehmen.
  24. Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats (30), das einen elektrisch isolierenden Körper (33) mit einer ersten primären Oberfläche (31) und einer zweiten primären Oberfläche (32) und mindestens eine auf der ersten primären Oberfläche (31) angebrachte Leistungshalbleiterkomponente (34) umfasst; Bereitstellen eines Gehäuses (10), das ein inneres Gehäuse (12) mit einer Abdeckung (14) und mit einer Randzone (15) umfasst, und mindestens eines neben einer Seitenfläche (20) der Randzone (15) angeordneten Druckelements (13), wobei das Druckelement (13) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt wird; Anordnen des Gehäuses (10) derart, dass die untere Oberfläche (19) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) in Kontakt mit der ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) angeordnet wird und das mindestens eine Druckelement (13) neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats (30) und in einem Abstand von einer Oberfläche (43), an der das Gehäuse (10) und das elektrisch isolierende Substrat (30) anzubringen sind, beabstandet angeordnet wird; und Anwenden von Druck auf die obere Oberfläche (26) des Druckelements (13) des Gehäuses (10) derart, dass die untere Oberfläche (51) des Druckelements (13) mit der Oberfläche (43) in Kontakt kommt und derart, dass als Ergebnis der elastischen Kopplung zwischen dem Druckelement (13) und dem inneren Gehäuse (12) Druck auf die Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) ausgeübt wird, um so das Gehäuse (10) und die zweite primäre Oberfläche (32) des elektrisch isolierenden Substrats (30) an der Oberfläche (43) anzubringen.
  25. Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats (30), das einen elektrisch isolierenden Körper (33) mit einer ersten primären Oberfläche (31) und einer zweiten primären Oberfläche (32) umfasst, und mindestens einer auf der ersten primären Oberfläche (31) angebrachten Leistungshalbleiterkomponente (34), wobei mehrere Stifte (29) jeweils eine Druckkontaktregion (46) aufweisen, die sich im allgemeinen senkrecht von der ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) erstrecken; Bereitstellen eines Gehäuses (10), das ein inneres Gehäuse (12) mit einer Abdeckung (14) und einer Randzone (15) aufweist, und mindestens eines neben einer Seitenfläche (20) der Randzone (15) angeordneten Druckelements (13), wobei das Druckelement (13) elastisch mit dem inneren Gehäuse (12) gekoppelt wird; Anordnen des Gehäuses derart, dass die untere Oberfläche (19) der Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) in Kontakt mit der ersten primären Oberfläche (31) des elektrisch isolierenden Substrats (30) angeordnet wird und das mindestens eine Druckelement (13) neben einer Seitenfläche des elektrisch isolierenden Substrats (30) und in einem Abstand von einer Oberfläche (43), an der das Gehäuse (10) und das elektrisch isolierende Substrat (30) anzubringen sind, beabstandet angeordnet wird; Anordnen einer Leiterplatte (39) auf einer oberen Oberfläche (26) des Druckelements (13) dergestalt, dass ein pressgepasster Kontaktstift (29) in Durchgangsloch (45) der Leiterplatte (39) angeord net wird, um einen pressgepassten Kontakt mit der Leiterplatte (39) und dem Kontaktstift (29) zu bewirken; und Anwenden von Druck auf die obere Oberfläche (26) des Druckelements (13) des Gehäuses (10) derart, dass die untere Oberfläche (51) des Druckelements (13) mit der Oberfläche (43) in Kontakt kommt undn derart, dass als Ergebnis der elastischen Kopplung zwischen dem Druckelement (13) und dem inneren Gehäuse (12) Druck auf die Randzone (15) des inneren Gehäuses (12) ausgeübt wird, um so das Gehäuse (10) und die zweite primäre Oberfläche (32) des elektrisch isolierenden Substrats (30) an der Oberfläche (43) anzubringen.
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