DE102008045615A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, umfassend ein Substrat, elektronische Bauelemente, die auf einer ersten Oberfläche des Substrates angeordnet sind, und einen Kunststoffkörper, der auf der ersten Oberfläche des Substrates anliegt und die Bauelemente umhüllt. Der Kunststoffkörper weist mindestens einen Kanal auf, welcher senkrecht zur ersten Oberfläche durch den Kunststoffkörper hindurch verläuft. Das Modul umfasst weiter mindestens ein Kontaktelement, das in dem Kanal angeordnet und zur elektrischen Kontaktierung der ersten Oberfläche des Substrates an diese angedrückt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul.
  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleitermodule für kleine bis mittlere Leistungen werden häufig in mit Kunststoff umspritzter Ausführungsform ausgeführt. Das dazu angewendete Herstellungsverfahren wird zumeist – und des Weiteren auch in dieser Schrift als „Insert-hold-Verfahren” bezeichnet. Ein typisches demtsprechend hergestelltes Leistungshalbleitermodul besteht aus einer keramischen, mit einer strukturierten Metallisierung versehen Trägerplatte („Substrat”), auf welcher einseitig elektronische Bauteile angeordnet sind. Anschlussdrähte werden vom Substrat seitlich weg geführt. Die Seite des Substrates an der die elektronischen Bauteile angeordnet sind, ist mit einem Kunststoffkörper versehen, welcher gebildet und angebracht wurde, indem die mit den Bauteilen versehene Substratseite einschließlich der Bauteile mit einer sich verfestigenden Kunststoffmasse an- bzw. umspritzt wurde. Für dieses An- bzw. Umspritzen wird die aus Substrat und Bauteilen bestehende Bauteilgruppe in eine Gießform eingelegt und der in der Form verbleibende Hohlraum über den Bauteilen und um die Bauteile wird mit sich verfestigender Kunststoffmasse gefüllt. Das so gebildete Leistungshalbleitermodul stellt einen kompakten, typischerweise prismatischen Körper dar, in welchem die elektronischen Bauteile gut geschützt sind. In eingebau tem Zustand sitzt das Modul zwischen einer Leiterplatte einerseits und einem Kühlkörper andererseits, wobei der Kühlkörper an der den elektronischen Bauteilen abgewandten und damit nicht mit Kunststoffmasse versehenen Seite des Substrates anliegt. Die elektrischen Anschlüsse des Moduls führen aus der Kunststoffmasse zur Leiterplatte und sind dort mit dieser verlötet oder verpresst. Vor allem bei größeren Stückzahlen sind die im Insert-hold-Verfahren hergestellte Leistungshalbleitermodule kostengünstig. Allerdings sind durch das stoffschlüssige verbinden der Anschlüsse mit der Leiterplatte und das anschließende Umspritzen mehrere Verfahrensschritte nötig.
  • Es besteht der Bedarf Leistungshalbleitermodule so auszubilden, dass sie einerseits in umspritzter Bauweise (d. h. durch Mold-Verfahren) kostengünstig herstellbar, und die Anzahl der Verfahrensschritte in der Herstellung noch weiter reduziert sind.
  • ÜBERSICHT
  • Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul umfassend ein Substrat, elektronische Bauelemente, die auf einer ersten Oberfläche des Substrates angeordnet sind, und einen Kunststoffkörper, der auf der ersten Oberfläche des Substrates anliegt und die Bauelemente umhüllt. Der Kunststoffkörper weist mindestens einen Kanal auf, welcher senkrecht zur ersten Oberfläche durch den Kunststoffkörper hindurch verläuft. Das Modul umfasst weiter mindestens ein Kontaktelement, das in dem Kanal angeordnet und zur elektrischen Kontaktierung der ersten Oberfläche des Substrates an diese angedrückt ist.
  • Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats, mit elektronischen Bauelementen, die auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, und Formen eines Kunststoffkörpers derart, dass der Kunststoffkörper an der ersten Oberfläche des Substrates anliegt und die elektronischen Bauelemente umhüllt, wobei der Kunststoffkörper mindestens einen Kanal aufweist, welcher von der ersten Oberfläche des Substrates durch den Kunststoffkörper hindurch verläuft und wobei der Kunststoffköper in einem Formnest einer Gießform durch Aufbringen einer zuerst flüssigen Kunststoffmasse an das Substrat und die Bauteile und durch darauf folgendes Erhärten der Kunststoffmasse gebildet ist, wobei der Kanal gebildet wird, indem im Formnest durch einen darin befindlichen Körper Fluss von Kunststoffmasse in jenen Volumenbereich, welcher für den Kanal vorgesehen ist, verhindert wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile.
  • 1 zeigt in einer Schnittansicht ein erstes erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul während des Ausformens nach dem Umspritzen gemäß dem Insert-Mold-Verfahren.
  • 2 zeigt in einer Schnittansicht ein zweites erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul während des Ausformens nach dem Umspritzen gemäß dem Insert-Mold-Verfahren.
  • 3 zeigt in Schnittansicht das Leistungshalbleitermodul von 1 mit darin eingesetzten Kontaktelementen einer ersten und einer zweiten Ausführungsform.
  • 4 zeigt in Schnittansicht das Leistungshalbleitermodul von 1 mit darin eingesetzten Kontaktelementen einer dritten Ausführungsform.
  • 5 zeigt in Schnittansicht das Leistungshalbleitermodul von 1 mit darin eingesetzten Kontaktelementen einer vierten Ausführungsform einschließlich einem zusätzlichen Deckel.
  • 6 zeigt in Schnittansicht das Leistungshalbleitermodul von 1 mit darin eingesetzten Kontaktelementen der ersten Ausführungsform in einer Einbausituation zwischen einer Leiterplatte und einem Kühlkörper.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, welches im Insert-hold-Verfahren herstellbar ist, wobei im Unterschied zu bekannten Ausführungsformen der im Insert-hold-Verfahren hergestellte, bauteilseitig am Substrat und an den elektronischen Bauteilen anliegende, Kunststoffkörper Kanäle aufweist, welche von zu kontaktierenden Flächen des Substrates zur gegenüberliegenden Seite des Kunststoffkörpers verlaufen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft durch einen Kanal im Kunststoffkörper ein Kontaktelement aus einem elektrisch leitfähigen Material wie typischerweise einem Draht oder einem Metallstreifen und dieses Kontaktelement liegt am Substrat durch die Wirkung einer elastischen Feder an.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung liegt ein durch einen Kanal im Kunststoffkörper verlaufendes Kontaktelement durch eigene elastische Vorspannung unter Druck an der zu kontaktierenden Oberflächenschicht des Leistungshalbleitermoduls an.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein durch einen Kanal im Kunststoffkörper verlaufendes Kontaktelement an Begrenzungsflächen des Kanals gegen Bewegung vom Substrat weg verhakt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein durch einen Kanal im Kunststoffkörper verlaufendes Kontaktelement an der dem Substrat abgewandten Seite des Kunststoffkörpers an einem zusätzlichen Deckel befestigt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Kunststoffköper und das Substrat mit einer durchgehenden Bohrung versehen, durch welche hindurch sie mittels einer Schraube an einem Kühlkörper befestigt werden können, welcher an der dem Kunststoffkörper abgewandten Seite des Substrates an diesem anliegt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Leiterplatte zwischen der dem Substrat abgewandten Seite des Kunststoffkörpers und einem Gegenhalter durch die Wirkung einer durch eine Bohrung in der Leiterplatte verlaufenden Schraube eingeklemmt.
  • In einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens ist eine Formhälfte der zur Herstellung des Kunststoffkörpers dienenden Gießform mit Fortsätzen versehen, welche in das Formnest ragen und mit einem Ende an dem in das Formnest eingelegten Substrat anliegen und so eine Negativform eines nach dem Entformen durch den Kunststoffkörper verlaufenden Kanals bilden.
  • In einem anderen Beispiel eines Herstellungsverfahrens sind während des Spritzvorganges im Formnest der Gießform Hülsen, also kurze Rohrstücke, so angeordnet, dass sie mit einer Stirnseite am Substrat anliegen und mit der anderen Stirnseite an einer Wandfläche des Formnestes. Nach dem Entformen bilden diese Hülsen die Wandungen der durch den Kunststoffkörper verlaufenden Kanäle.
  • 1 und 2 dienen zur Veranschaulichung des Herstellungsvorganges von Leistungshalbleitermodulen unter Anwendung des Insert-hold-Verfahrens.
  • Die aus dem Substrat 1 und elektronischen Bauelementen 2 bestehende Baugruppe wird so in das Formnest einer Gießform eingelegt, dass bei geschlossener Form an der Bauteilseite des Substrates ein Hohlraum verbleibt, welcher mitflüssiger Kunststoffmasse ausgefüllt wird. Nach dem Erstarren der Kunststoffmasse wird die aus Substrat 1, Bauelementen 2 und Kunststoffkörper 3 gebildete Baueinheit, welche hier zusammenfassend als Leistungshalbleitermodul bezeichnet wird, ausgeformt.
  • Gemäß 1 ist eine Formhälfte 5 der zur Herstellung des Kunststoffkörpers 3 dienenden Gießform mit Fortsätzen 5.2 versehen, welche in das Formnest 5.1 ragen und mit einem Ende an dem in das Formnest eingelegten Substrat 1 anliegen und so eine Negativform eines nach dem Entformen durch den Kunststoffkörper 3 verlaufenden Kanals 3.1 bilden.
  • Gemäß 2 werden die Kanäle 3.1 im Kunststoffkörper 3 gebildet, indem während des Spritzvorganges im Formnest 5.1 Hülsen 6, also kurze Rohrstücke, so angeordnet sind, dass sie mit einer Stirnseite am Substrat 1 anliegen und mit der anderen Stirnseite an einer Wandfläche des Formnestes. Nach dem Entformen bilden diese Hülsen die Wandungen der durch den Kunststoffkörper verlaufenden Kanäle 3.1.
  • 3 zeigt das Leistungshalbleitermodul von 1 mit darin eingesetzten Kontaktelementen 7, 8 einer ersten und einer zweiten Ausführungsform. Das Kontaktelement 7 ist als Spiralfeder ausgebildet, typischerweise besteht es aus einem Runddraht aus einer elektrisch gut leitenden und dennoch einiger maßen festen Metalllegierung. Das ebenso elastisch verformbare Kontaktelement 8 weist einen C-förmig von seiner Längsrichtung ausgebogenen Bereich auf. Das Kontaktelement 8 kann auch sehr gut aus einem Metallstreifen gebildet sein.
  • Die Kontaktelemente 7, 8 sind in jeweils einen Kanal 3.1 des Kunststoffkörpers 3 eingesetzt. In entspanntem Zustand ist die Länge der Kontaktelemente 7, 8 größer als die Länge der Kanäle 3.1, sodass die Kontaktelemente an einer Seite aus dem jeweiligen Kanal 3.1 hervor ragen.
  • So lange das Leistungshalbleitermodul nicht selbst montiert ist, könnten die Kontaktelemente 7, 8 aus den Kanälen 3.1 herausfallen. In 4 ist eine Bauform für Kontaktelemente 9 gezeigt, welche an der Mantelfläche des Kanals 3.1 durch welchen sie verlaufen, mittels abstehender Arme 9.1 unter elastischer Vorspannung anliegen. Damit können die Kontaktelemente nicht einfach so aus den Kanälen 3.1 herausfallen.
  • 5 zeigt eine Bauweise bei der Kontaktelemente 10 durch einen separaten Deckel 11, welcher an der dem Substrat abgewandten Seite am Kunststoffkörper 3 anliegt und an diesem befestigt ist, verlaufen und durch diesen gegen Herausfallen aus dem jeweiligen Kanal 3.1 gehalten werden. Damit durch Kontaktelemente Kontakt zu einer über dem Deckel anzuordnenden Leiterplatte hergestellt werden kann, ist der Deckel mit Durchgangslöchern versehen, durch welche die Kontaktelemente durchragen.
  • 6 zeigt die Einbausituation eines mit Kontaktelementen versehenen Leistungshalbleitermoduls zwischen einer Leiterplatte 12 und einem Kühlkörper 15 gemäß einem Beispiel der Erfindung.
  • Ein plattenförmiger Gegenhalter 13, die Leiterplatte 12, das aus Substrat, Bauteilen und Kunststoffköper bestehende Leistungshalbleitermodul einschließlich darin eingesetzten Kon taktelementen und ein Kühlkörper 15 liegen in dieser Reihenfolge hintereinander. Eine Schraube 14 verläuft durch zueinander fluchtende Durchgangsbohrungen durch den Gegenhalter, die Leiterplatte und das Leistungshalbleitermodul und endet in einer Gewindebohrung im Kühlkörper 15. Mit der Kragenfläche ihres Kopfes liegt die Schraube 14 an der von der Leiterplatte 12 abgewandten Seite des Gegenhalters 13 an, sodass der Gegenhalter durch das Anziehen der Schraube 14 gegen die Leiterplatte gedrückt wird und diese gegen den Kunststoffteil 3.
  • Indem die Leiterplatte gegen den Kunststoffkörper 3 gedrückt wird, verformt sie die Kontaktelemente dahingehend elastisch, dass diese verkürzt werden und somit von ihren Enden aus einen Druck auf die anliegenden Teile, nämlich die Kontaktierungsflächen des Substrats 1 und der Leiterplatte 12 ausüben.
  • Die Durchgangsbohrung für die Schraube im Kunststoffkörper 3 kann in gleicher Weise während des Spritzvorganges hergestellt werden wie die Kanäle 3.1.
  • Für großflächigere Leistungshalbleitermodule empfielt es sich, mehrere Schrauben 14 vorzusehen. An Stelle von Schrauben 14 kann die Verbindung der einzelnen Teile beispielsweise auch mittels seitlicher Klammern erfolgen.
  • Durch Bauweise gemäß den beschriebenen Beispielen der Erfindung lassen sich die Vorteile des Insert-hold-Verfahrens für die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen mit denen der Bauweisen mit Druckkontaktierung kombinieren.

Claims (11)

  1. Leistungshalbleitermodul umfassend ein Substrat (1), elektronische Bauelemente (2), die auf einer ersten Oberfläche des Substrates (1) angeordnet sind, und einen Kunststoffkörper (3), der auf der ersten Oberfläche des Substrates (1) anliegt und die Bauelemente (2) umhüllt, wobei der Kunststoffkörper (3) mindestens einen Kanal (3.1) aufweist, welcher senkrecht zur ersten Oberfläche durch den Kunststoffkörper hindurch verläuft, und mindestens ein Kontaktelement (7, 8, 9, 10), das in dem Kanal (3.1) angeordnet und zur elektrischen Kontaktierung der ersten Oberfläche des Substrates (1) an diese angedrückt ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Kontaktelement (7, 8, 9, 10) durch die Wirkung einer elastischen Feder an das Substrat (1) gedrückt wird.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, wobei die elastische Feder durch das Kontaktelement (7, 8, 9, 10) selbst gebildet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Kontaktelement (7, 8, 9, 10) in entspanntem Zustand eine größere Länge aufweist als die Länge des Kanals (3.1).
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Kontaktelement (9) mit einem oder mehreren Fortsätzen (9.1) unter elastischer Vorspannung an der Wand des Kanals (3.1) anliegt.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei an der dem Substrat (1) abgewandten Seite des Kunststoffkörpers (3) mittelbar oder unmittelbar eine Leiterplatte (12) anliegt und an der dem Kunststoffkörper (3) abgewandten Seite des Substrates (1) ein Kühlkörper (15) anliegt.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei an der dem Kunststoffkörper abgewandten Seite der Leiterplatte ein Gegenhalter (13) an dieser anliegt und wobei ein Befestigungsmittel Gegenhalter (13), Leiterplatte (12) Leistungshalbleitermodul und Kühlkörper (15) aneinander drückt.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, wobei das Befestigungsmittel mindestens eine Schraube (14) ist, welche durch Gegenhalter (13), Leiterplatte (12) und Leistungshalbleitermodul verläuft und mit einer Gewindebohrung im Kühlkörper (15) in Gewindeeingriff ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats (1), mit elektronischen Bauelementen (2), die auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, Formen eines Kunststoffkörpers derart, dass der Kunststoffkörper an der ersten Oberfläche des Substrates (1) anliegt und die elektronischen Bauelemente (2) umhüllt, wobei der Kunststoffkörper mindestens einen Kanal (3.1) aufweist, welcher von der ersten Oberfläche des Substrates (1) durch den Kunststoffkörper hindurch verläuft und wobei der Kunststoffköper in einem Formnest (5.1) einer Gießform durch Aufbringen einer zuerst flüssigen Kunststoffmasse an das Substrat (1) und die Bauteile (2) und durch darauf folgendes Erhärten der Kunststoffmasse gebildet ist, wobei der Kanal (3.1) gebildet wird, indem im Formnest (5.1) durch einen darin befindlichen Körper (5.2, 6) Fluss von Kunststoffmasse in jenen Volumenbereich, welcher für den Kanal (3.1) vorgesehen ist, verhindert wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls nach Anspruch 9, wobei jener Körper, welcher Fluss von Kunststoffmaterial in den für den Kanal (3.1) vorgesehenen Volumenbereich verhindert, ein Fortsatz (5.2) eines das Formnest (5.1) eingrenzenden Teiles (5) der Gießform ist.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls nach Anspruch 9, wobei jener Körper, welcher Fluss von Kunststoffmaterial in den für den Kanal (3.1) vorgesehenen Volumenbereich verhindert, eine in das Formnest (5.1) eingelegte Hülse (6) ist, welche nach dem Gießvorgang mit dem Kunststoffteil (3) verbunden ist.
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