DE102008051560A1

DE102008051560A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102008051560A1
Application number: DE102008051560A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Ferber; Benedikt Specht
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Eine Vorrichtung enthält ein Gehäuse (21) mit mehreren Einspannelementen (32) und mindestens einem Trägerelement (22). Eine Abdeckung (11, 50, 70, 80) wird durch die mehreren Einspannelemente (32) und das mindestens eine Trägermittel (22) elastisch deformiert. In dem Gehäuse (21) ist mindestens ein Substrat (24) vorgesehen, das mindestens einen Halbleiterchip (43) trägt.

Description

Stand der Technik
Ausführungsformen betreffen ein Leistungshalbleitermodul.
Ein Leistungshalbleitermodul oder Leistungsmodul ist für einen Betrieb bei relativ hohen Spannungen (zum Beispiel über 100 Volt) oder bei relativ hohen Strömen (zum Beispiel über 10 Ampere) ausgelegt. Das Leistungshalbleitermodul enthält mindestens einen Leistungshalbleiterchip zum Schalten, Regeln oder Gleichrichten von elektrischem Strom, insbesondere großem elektrischem Strom. Ein solches Halbleitermodul kann mindestens einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Schottky-Diode, ein J-FET oder einen beliebigen anderen Leistungshalbleiterschalter enthalten. Aufgrund der hohen Leistung, die es verbraucht, kann das Leistungsmodul im Betrieb viel Wärme erzeugen. Das Leistungsmodul kann auch in einer Umgebung betrieben werden, die erhöhte Temperatur aufweist, wie zum Beispiel in einem Motorraum. Die von dem Leistungsmodul erzeugte Wärme kann durch einen an dem Leistungsmodul angebrachten Kühlkörper abgeführt werden.
Kurzfassung
Es wird ein Halbleitermodul bereitgestellt umfassend: ein Gehäuse mit mehreren Aufnahmeelementen; mindestens ein Trägerelement; eine an dem Trägerelement angeordnete, elastisch deformierte Abdeckung, wobei die elastisch deformierte Abdeckung durch die mehreren Aufnah meelemente und das mindestens eine Trägerelement eingespannt ist; und ein elektrisch isolierendes Substrat, das mindestens einen Halbleiterchip trägt, wobei das Substrat an dem Gehäuse angebracht ist.
Ein Verfahren zum Zusammenbau eines Halbleitermoduls umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Gehäuses mit mehreren an dem Gehäuse angeordneten Aufnahmeelementen; Bereitstellen eines mindestens einen Halbleiterchip tragenden elektrisch isolierenden Substrats; wobei das Substrat in dem Gehäuse angeordnet ist; Bereitstellen mindestens eines Trägerelements; Bereitstellen einer elastisch deformierbaren Abdeckung; Erzeugen einer Vorspannung der elastisch verformbaren Abdeckung; Positionieren der vorgespannten Abdeckung über dem Trägerelement; und Lösen der Vorspannung, so dass die elastisch deformierte Abdeckung durch das mindestens eine Trägerelement und die mehreren Aufnahmeelemente eingespannt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis von Ausführungsformen gewährleisten und sind in die vorliegende Beschreibung integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden ohne weiteres ersichtlich, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszahlen kennzeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Erfindung kann mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung besser verstanden werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, statt dessen wurde der Schwerpunkt auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Abdeckung eines neuartigen Leistungsmoduls;
2 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines neuartigen Leistungsmoduls, das die Abdeckung von 1 verwendet;
3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Abdeckung eines neuartigen Leistungsmoduls;
4 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines neuartigen Leistungsmoduls, das die Abdeckung von 3 verwendet;
5 ist eine Querschnittsansicht eines offenen Gehäuses für einen neuartigen Leistungshalbleiter in einer anderen Ausführungsform;
6 ist eine Querschnittsansicht einer Abdeckung in einer nicht vorgespannten Position;
7 ist eine Querschnittsansicht einer Abdeckung in einer vorgespannten Position;
8 ist eine Querschnittsansicht eines Werkzeugs, das die Abdeckung von 7 in der vorgespannten Position hält;
9 ist eine Draufsicht der vorgespannten Abdeckung und eine Querschnittsansicht des Werkzeugs entlang der Linie A-A von 8;
10 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Werkzeugs, das die Abdeckung von 7 in der vorgespannten Position hält;
11 ist eine Draufsicht der vorgespannten Abdeckung und eine Querschnittsansicht des Werkzeugs von 10 in einer in 10 dargestellten Querschnittsebene A-A;
12 ist eine Querschnittsansicht der Abdeckung von 7, bevor die Abdeckung auf dem offenen Gehäuse von 5 platziert wird;
13 ist eine Querschnittsansicht des Gehäuses von 5, das durch die Abdeckung von 12 geschlossen wird;
14 ist eine Querschnittsansicht eines anderen neuartigen Leistungshalbleitermoduls;
15 ist eine Seitenansicht eines grundlegenden Modulaufbaus ohne Anschlüsse, Verguss und Gehäuse;
16 ist eine Seitenansicht eines eingekapselten grundlegenden Modulaufbaus mit Anschlüssen, Harz und Gehäuse; und
17 ist eine Querschnittsansicht eines anderen neuartigen Leistungshalbleitermoduls.
Ausführliche Beschreibung
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die einen Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa "oben", "unten", "vorne", "hinten", "vorderes", "hinteres" usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten aus Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, wird die richtungszeigende Terminologie zur Veranschaulichung verwendet und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung soll deshalb nicht im einschränkenden Sinne aufgefasst werden und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht spezifisch anders erwähnt wird.
1 zeigt eine Abdeckung 11 zur Verwendung in Verbindung mit einem Leistungsmodul 10 oder Leistungshalbleitermodul, wie es in 2 dargestellt ist, in einem entspannten und nicht eingespannten Zustand vor der Anbringung auf dem Leistungsmodul 10. Ein solches Leistungsmodul 10 ist für einen Betrieb bei relativ hohen Spannungen (zum Beispiel über 100 Volt) oder bei relativ hohen Strömen (zum Beispiel über 10 Ampere) ausge legt. Das Leistungsmodul 10 enthält eine elektrische Schaltung, zum Beispiel mindestens einen Halbleiterchip 43. Die Abdeckung 11 weist eine obere Oberfläche 12 und eine seiner oberen Oberfläche 12 gegenüber liegende untere Oberfläche 13 auf. Die Abdeckung 11 enthält ferner ein erstes Ende 14, das in einem Abstand d1 von einem zweiten Ende 15 angeordnet ist. Die Abdeckung 11 kann mindestens ein Durchgangsloch 16 enthalten, das sich zwischen der oberen Oberfläche 12 und der unteren Oberfläche 13 erstreckt. Die Abdeckung 11 ist so gebogen, dass – im uneingespannten Zustand – eine Gerade von dem ersten Ende 14 und dem zweiten Ende 15 der Abdeckung 11 den Mittelteil der Abdeckung 11 nicht schneidet. Die Abdeckung 11 kann ein beliebiges elastisch deformierbares Material enthalten, zum Beispiel Kunststoffe (thermoplastische Kunststoffe, thermisch aushärtende Kunststoffe, Epoxidharz, glasverstärktes Epoxidharz oder dergleichen) oder Metalle (Aluminium, auf Aluminium basierende Legierungen, Kupfer, Stahl oder ein beliebiges anderes geeignetes Material), und kann eine Dicke von 0,5 mm bis 3 mm (Millimeter) aufweisen, wenn Kunststoffe verwendet werden, und 0,1 bis 1 mm, wenn ein Metall verwendet wird.
2 ist eine teilweise Querschnittsansicht des Leistungsmoduls 10 mit der Abdeckung 11 von 1. Das Leistungsmodul 10 enthält ein Gehäuse 21, das zur Entwärmung des Moduls 10 thermisch mit einem Kühlkörper 37 gekoppelt ist. Das Gehäuse 21 schließt mehrere säulenförmige Trägerelemente 22, eine Basisplatte 23, ein Substrat 24, (nicht im Detail dargestellte) elektrische Schaltkreise und mehrere elektrische Anschlüsse 26 ein. Das Substrat 24 ist über der Basisplatte 23 in dem Gehäuse 21 angeordnet. Auf dem Substrat 24 befinden sich ein Leistungshalbleiterchip 43 und die mehreren Anschlüsse 26.
Die Abdeckung 11 ist auf den die Trägerelemente 22 bildenden Säulen angeordnet. Das Gehäuse 21 enthält Seitenwände 20, die an einer Basisplatte 23 angebracht sind. Das Gehäuse 21 weist beispielhaft vier Seitenwände 20 auf, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegend angeordnet sind, wodurch ein im Querschnitt hohler rechteckiger Block gebildet wird, der einen Gehäuserahmen des Moduls 10 darstellt. Ein Aufnahmeelement 32 in Form eines Vorsprungs ist an einem oberen Rand einer inneren Oberfläche 17 der Wand 20 vorgesehen. Die Trägerelemente 22 sind in dem Gehäuse 21 angeordnet. Jedes der Trägerelemente 22 weist einen oberen Teil 31 auf. Die Abdeckung 11 ist auf dem oberen Teil 31 angeordnet und befindet sich in Kontakt mit diesem Teil 31. Die Trägerelemente 22 besitzen eine Form eines rechteckigen Blocks und können zumindest teilweise aus Kunststoffmaterial hergestellt werden.
2 zeigt die elastisch deformierbare Abdeckung 11 in einer gestrichelt dargestellten Zwischenposition A, und in einer montierten Position B. In der Zwischenposition A befindet sich die Abdeckung 11 in einem elastisch deformierten und damit mechanisch vorgespannten Zustand. Zum Erzeugen der Vorspannung wird die Abdeckung 11 elastisch so – z. B. durch Durchbiegen – deformiert, dass – bei einer sinnrichtigen Lage der Abdeckung 11 oberhalb ihrer Zielposition – das erste und das zweite Ende 14 und 15 der Abdeckung 11 näher an der oberen Oberfläche 41 des Substrats 24 liegen als der Mittelteil der Abdeckung 11. Als sinnrichtige Lage wird dabei eine Lage verstanden, bei der die Unterseite 13 dem Substrat 24 zugewandt ist, und bei der sich die seitlichen Enden 14 und 15 der Abdeckung 11 jeweils etwa oberhalb der Seitenwand 20 des Gehäuses 21 befinden, in deren Richtung das betreffende seitliche Ende 14, 15 zeigt, wenn die Abdeckung 11 an dem Modul 10 montiert ist. Grundsätzlich kann die Abdeckung 11 in jeder beliebigen relativen Lage bezüglich des Gehäuses 21 und/oder des Substrates 24 beispielsweise durch Durchbiegen vorgespannt und erst anschließend sinnrichtig bezüglich des Gehäuses 21 und/oder des Substrates 24 positioniert werden.
Das erste und das zweite Ende 14 und 15 der Abdeckung 11 befinden sich unter den Aufnahmeelementen 32 in dem Gehäuse 21, während ein Teil der Abdeckung 11 auf den Trägerelementen 22 angeordnet ist. Die Anschlüsse 26 des Leistungsmoduls 10 erstrecken sich durch die Durchgangslöcher 16 in der Abdeckung 11.
In der montierten Position B befinden sich das erste und das zweite Ende 14 und 15 der Abdeckung 11 unter den Aufnahmeelementen 32 des Gehäuses 21, und ein Teil der Abdeckung 11 ist auf den Trägerelementen 22 angeordnet. Die Abdeckung 11 befindet sich auch in ihrer Position B noch in einem elastisch deformierten Zustand.
Vor dem Einsetzen der Abdeckung 11 in das Gehäuse 21 kann die Abdeckung 11 elastisch so deformiert werden, dass das erste Ende 14 und das zweite Ende 15 einen Abstand aufweisen, der kleiner ist, als der Abstand der Enden 14 und 15, wenn die Abdeckung 11 mechanisch entspannt ist. Das Deformieren kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Enden 14 und 15 bezüglich des Mittelteils der Abdeckung 11 elastisch in Richtung der unteren Oberfläche 13 gebogen werden.
Die Basisplatte 23, auf der das mit dem Halbleiterchip 43 bestückte Substrat 24 angeordnet ist, befindet sich an der Unterseite des Leistungsmoduls 10 und steht mit dem Kühlkörper 37 in thermischem Kontakt. Die Basisplatte 23 kann Kupfermaterial enthalten und eine Dicke von 2 mm (Millimeter) bis 10 mm, zum Beispiel 3 mm aufweisen, während der Kühlkörper 37 zum Beispiel Aluminiummaterial aufweisen kann. Als Alternative kann das Substrat 24, zusätzlich zu einer auf seine Oberseite 41 aufgebrachten Metallisierung 40 optional auch an seiner Unterseite 42 mit einer Metallisierung versehen sein kann, direkt oder ggf. mit einer unterseitigen Metallisierung an dem Kühlkörper 37 angebracht werden. In diesem Fall ist keine zusätzliche Basisplatte 23 notwendig. Das Substrat 24 oberseitige Leiterbahnen 40, die – ebenso wie eine optionale unterseitige Metallisierung – z. B. vollständig oder zumindest überwiegend aus Kupfer oder Aluminium bestehen können, und die an der Oberseite 41 eines isolierenden Materials, das an der Oberfläche 41 des Substrats 24 angeordnet ist. Das Substrat 24 kann eine Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 350 μm bis 450 μm, zum Beispiel 380 μm (Mikrometer), aufweisen. Die auf dem Substrat 24 vorgesehenen elektrischen Schaltkreise enthalten einen oder mehrere Halbleiterchips 43. Der Halbleiterchip 43 ist auf der Kupferbahn 40 angeordnet und wird durch eine Verbindungsschicht 44, z. B. aus einem Lot oder einem anderen bekannten Verbindungsmaterial, an die Leiterbahn 40 angebracht und dadurch elektrisch leitend an diese angeschlossen. Aluminium- oder Kupferbonddrähte 27 verbinden den Halbleiterchip 43 mit einer benachbarten Kupferbahn 40 oder mit einem benachbarten weiteren Halbleiterchip (nicht dargestellt). Die Leiterbahnen 40 können jeweils eine Dicke von 50 μm bis 2000 μm, zum Beispiel 300 μm, aufweisen.
An einer der Leiterbahnen 40 ist eine Hülse 25 dergestalt angebracht, dass eine Achse eines Kragens der Hülse 25 senkrecht zu der Oberfläche 41 des Substrats 24, auf dem die Kupferbahn 40 angeordnet wird, ausgerichtet ist. Die Hülse 25 hat eine Form eines Hohlzylinders oder eine andere buchsen- oder steckerartige Form und kann z. B. Kupfer enthalten. Der Anschluss 26 ist teilweise in der Hülse 25 angeordnet und befindet sich in mit der Hülse 25 in elektrisch leitendem Kontakt. Ein oberes Ende des Anschlusses 26 erstreckt sich über und durch die Abdeckung 11. Der Anschluss 26 kann Kupfer enthalten.
Die Leiterbahn 40 bildet eine leitfähige Verbindungsbahn und weist eine Kontaktstelle aus elektrisch leitfähigem Material auf. Die Hülse 25 bildet einen elektrisch leitfähigen Verbinder und kann auf die Kontaktstelle der Leiterbahn 40 aufgelötet werden. Beim Betrieb des Moduls 10 kann der Halbleiterchip 43 eine hohe Spannung und/oder einen hohen Strom führen. Der Halbleiterchip 43 kann beispielsweise ein siliziumgesteuerter Gleichrichter SCR, ein Leistungsregler, ein Leistungstransistor, ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IBGT), ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Leistungsgleichrichter, eine Schottky-Diode, ein J-FET, oder dergleichen sein.
Allgemeiner ausgedrückt zeigt 2 auch ein Modul 10, bei dem das Aufnahmeelement 32 eine Art von Eingrenzungselement sein kann. Das Aufnahmeelement 32 kann auch die Form einer Aussparung oder einer Rille aufweisen. Das Aufnahmeelement 32 kann integral an dem Gehäuse 21 angebracht sein oder kann die Form einer separaten Komponente aufweisen, die an dem Gehäuse 21 angebracht wird. Das Trägerelement 22 liegt in Form einer Säule vor. Als Alternative kann das Trägerelement 22 eine Art von Feder sein. Das Trägerelement 22 kann an der Unterseite des Gehäuses 21 oder an der Wand 20 des Gehäuses 21 oder an einer beliebigen anderen Komponente, die sich in dem Gehäuse 21 befindet, befestigt werden. Das Trägerelement 22 oder ein Abschnitt des Trägerelements 22 kann die Form eines Zylinders, eines Partialzylinders, eines quaderförmigen Blocks mit rechteckigem Querschnitt, oder eines partiellen quaderförmigen Blocks mit rechteckigem Querschnitt aufweisen. Es sind auch andere Formen anwendbar. Das Trägerelement 22 kann über oder unter der Abdeckung 11 angeordnet werden.
Das Gehäuse 21 kann auch ein Hohlzylinderblock, ein partieller Hohlzylinderblock, ein hohler rechteckiger Block oder ein partieller hohler rechteckiger Block oder eine beliebige andere Form sein. Die Wand 20 des Gehäuses 21 kann gegebenenfalls eine Öffnung oder Apertur enthalten. Ferner kann das Gehäuse 21 Metallmaterial für gute thermische Leitung enthalten. Außerdem kann die Abdeckung 11 aus Metallmaterial hergestellt werden oder dieses enthalten. Es kann mehr als eine Biegung und/oder zusätzliche Öffnungen zum Ableiten von Wärme aus dem Gehäuse 21 enthalten. Ein Teil der Abdeckung 11 kann eine partielle kreisförmige oder partielle rechteckige Form aufweisen. Andere Formen für die Abdeckung 11 sind ebenfalls möglich.
Die elektrisch leitfähigen Bahnen 40 des Substrats 24 können elektrisch mit denen von optionalen, benachbarten Substrate verbunden werden. Die Leiterbahnen 40 können Metalle wie zum Beispiel Aluminium oder eine Legierung mit Aluminium, Kupfer oder eine Legierung mit Kupfer, aufweisen. Optional können die Leiterbahnen 40 mit einer Nickel-, Gold- oder einer beliebigen anderen geeigneten Plattierung versehen sein. Der Halbleiterchip 43 befindet sich auf einer der elektrisch leitenden Bahnen 40 und ist elektrisch und/oder mechanisch durch eine Schicht aus Lotmaterial 44 mit dieser Leiterbahn verbunden. Zur Herstellung einer elektrischen und/oder mechanischen Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 43 und einer der Leiterbahnen 40 kann anstelle des Lotes 44 z. B. auch ein elektrisch leitfähiger Kleber oder eine silberhaltige Schicht vorgesehen sein.
Die mit dem Halbleiterchip 43 verbundene Bondleitung 27 kann Aluminiumoder Kupfer oder Gold oder eine Legierung mit zumindest einem dieser Materialien enthalten. Der Anschluss 26 bildet ein Kontaktverbinderelement. Die Form des Kontaktverbinderelements wird geeignet so gewählt, dass der Anschluss 26 von der Hülse 25 in Eingriff genommen wird. Das Kontaktverbinderelement kann einen Federteil enthalten und ein leitfähiges Material benutzen, wie zum Beispiel Kupfer oder eine Legierung aus Kupfer.
Das Gehäuse 21 kann dazu dienen, in dem Gehäuse 21 befindliche Komponenten des Moduls 10 vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Beim Betrieb des Moduls 10 leiten das Gehäuse 21 und der Kühlkörper 37 die in dem Leistungsmodul 10 erzeugte Wärme an die Umgebung ab. Die Vorsprünge an dem Gehäuse 21 wirken zusammen mit den Säulen 22 als einfacher Mechanismus zum Befestigen der elastisch deformierten Abdeckung 11 auf dem Gehäuse 21. Das Gehäuse 11 stellt außerdem einen Schutz vor der hohen Spannung in dem Leistungsmodul 10 dar.
Die wärmeleitende Basisplatte 23 und der Kühlkörper 37 leiten Wärme ab, die in dem Leistungsmodul 10 erzeugt wird. Das Substrat 24 liefert eine elektrische Isolation zwischen dem Halbleiterchip 43 und der Basisplatte 23. Die Kupferbahn 40 auf dem Substrat 24 kann für direktes Kupferbonden des Halbleiterchips 43 auf das Substrat 24 ausgelegt sein.
Beim Zusammenbau des Leistungsmoduls 10 wird bei der Bereitstellung der Basisplatte 23 das Substrat 24 auf der oberen Oberfläche 35 der Basisplatte 23 angeordnet und der Halbleiterchip 43 ist durch die Verbindungsschicht 44 an die Kupferbahnen 40 geheftet und unter Verwendung von Aluminiumbondleitungen 27 an die Kupferbahnen 40 gebondet. Die mindestens eine Hülse 25 ist an der Kupferbahn 40 fixiert und die Säulen 22 werden an dem Substrat 24 (oder an der Unterseite des Gehäuses 21) angebracht. Das isolierende Substrat 24 und der Halbleiterchip 43 werden in, die Basisplatte 23 an der Unterseite des Gehäuses 21 platziert. Dann wird der Anschluss 26 in die Hülse 25 eingeführt. Alternativ kann der Anschluss 26 auch vor dem Einsetzen des bestückten Substrates 24 in die Hülse 25 eingeführt werden.
Die Abdeckung 11 kann gestanzt oder mittels eines beliebigen anderen Verfahrens geformt werden. Nach der Formung befindet sich der Mittelteil der Abdeckung 11 – sofern sich die Abdeckung 11 in entspanntem Zustand und in bei einer sinnrichtigen Lage der Abdeckung 11 oberhalb ihrer Zielposition – näher an dem Substrat 24 als sein erstes und zweites Ende 14 bzw. 15. Die Abdeckung 11 kann im Querschnitt eine Form aufweisen, wie sie aus 1 ersichtlich ist. Die elastisch deformierbare Abdeckung 11 weist keine oder wenig interne Vorspannung auf, solange keine externe Kraft angewandt wird.
Durch Anwendung einer externen Kraft kann der Mittelteil der Abdeckung 11 relativ zu dem ersten und dem zweite Ende 14 bzw. 15 durchgedrückt werden, so dass die Abdeckung 11 elastisch deformiert und dadurch vorgespannt wird. Die elastisch deformierte Abdeckung 11 kann eine Form aufweisen, wie sie in der Zwischenposition A in 2 dargestellt ist. Nach dem Wegnehmen der die Verformung und Vorspannung bewirkenden externen Kraft ist die Abdeckung 11 bestrebt, zu der ihrer Ausgangsform zurückzukehren.
Das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der vorgespannten Abdeckung 11 werden dann unter den Aufnahmeelementen 32 des Gehäuses 21 angeordnet, während die Abdeckung 11 über den Trägerelementen 22 angeordnet wird. Nach dem Wegnehmen der die Vorspannung bewirkenden externen Kraft versucht die elastisch deformierte Abdeckung 11, in ihre Ausgangsform zurück zu kehren, was aber durch die Trägerelemente 22 und die Aufnahmeelemente 32 zumindest teilweise verhindert wird, so dass zumindest eine Rest-Vorspannung verbleibt. Die Höhe der Trägerelemente 22 begrenzt den minimalen Abstand zwischen der Abdeckung 11 und der Oberfläche 41 des Substrats 24. Die Aufnahmeelemente 32 begrenzen auch den minimalen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 14 und 15 der Abdeckung 11. Die eingespannte elastisch deformierte Abdeckung 11 weist eine Form auf, wie sie in der Position B von 2 dargestellt ist. In dieser Position B weist die Abdeckung 11 eine annähernd ebene Form mit maximalem Abstand d2 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 14 und 15 auf. In diesem Zustand wird die Abdeckung 11 durch die Kraft, die durch die Aufnahmeelemente 32 und die Trägerelemente 22 ausgeübt wird, in ihrer Position gehalten. Das Verfahren schafft somit eine einfache Möglichkeit, mit der die Abdeckung 11 an dem Gehäuse 21 so befestigt werden kann, dass sie Vibrationen und extremen Temperaturen standhalten kann. Ferner ist es nicht notwendig, andere Befestigungskomponenten wie zum Beispiel Greifhaken, Schrauben oder Klebemittel zu verwenden. Es können jedoch zusätzliche Befestigungskomponenten angebracht werden.
Allgemeiner ausgedrückt wird die Abdeckung 11, die auf dem Gehäuse 21 angebracht wird, durch die Trägerelemente 22 und die Aufnahmeelemente 32 in einem elastisch deformierten Zustand gehalten. Die Abdeckung 11 kann in einer Form vorliegen, in der Mittelteil der Abdeckung 11 in Bezug auf die Oberfläche 41 des Substrats 24 bei einer gegebenen geeigneten Platzierung der Trägerelemente 22 und der Aufnahmeelemente 32 über oder unter dem äußeren Rand der Abdeckung 11 liegt. Die Anwendung einer externen Kraft zur elastisch Deformation der Abdeckung 11 kann beispielsweise auf den Rand, auf die Ecke oder auf einen Innenteil der Abdeckung 11 angewandt werden.
3 zeigt eine andere Abdeckung 50 für ein anderes Leistungsmodul 51 in einem nicht eingespannten Zustand vor der Anbringung an dem in 4 dargestellten Gehäuserahmen 20. Die Abdeckung 50 weist eine Oberseite 12 und eine der Oberseite 12 gegenüber liegende Unterseite 13 auf. Die Abdeckung 50 weist ein erstes Ende 14 auf, das in einem Abstand d1 von einem zweiten Ende 15 der Abdeckung 50 angeordnet ist. Die Abdeckung 50 enthält außerdem ein Durchgangsloch 16. Die Abdeckung 50 wird so gebogen, dass sich das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50 – im nicht vorgespannten Zustand der Abdeckung 11 und bei deren sinnrichtiger Positionierung oberhalb des Moduls 10 – näher am Substrat 24 befinden als das Mittelteil der Abdeckung 11.
4 ist eine teilweise Querschnittsansicht des Leistungsmoduls 51. Bezüglich ihrer grundlegenden Struktur ist das Leistungsmodul 51 dem Leistungsmodul 10 von 2 ähnlich, wobei einander entsprechende Komponenten gleiche Bezugszeichen aufweisen. Das Leistungsmodul 51 umfasst ein Gehäuse 21, das mit einem Kühlkörper 37 in thermischem Kontakt steht. Das Gehäuse 21 weist einen aus den Seitenwänden 20 gebildeten Gehäuserahmen auf und umgibt ein Substrat 24, elektrische Schaltkreise einschließlich eines Halbleiterchips 43, und einen Anschluss 26. Eine Basisplatte 23 bildet die Unterseite des Gehäuses 21, das an dem Kühlkörper 37 befestigt ist. Das Substrat 24 befindet sich über der Basisplatte 23, und über dem Substrat 24 sind die elektrischen Schaltkreise und der Anschluss 26 auf dem Substrat 24 angeordnet. Die Seitenwände 20 enthalten Vorsprünge 61 und 60. Die Vorsprünge 60, 61 können in die Wand 20 integriert und – unabhängig voneinander – beispielsweise säulenartig oder stegartig ausgebildet sein.
Die Wände 20 bilden einen hohlen rechteckigen Block, den Gehäuserahmen. Zwei einander gegenüber liegende Seitenwände 20 weisen voneinander einen minimalen Abstand d2 auf. Die Seitenwände 20 besitzen eine innere Oberfläche 17, wobei sich der Vorsprung 61 ausgehend von einem Teil der inneren Oberfläche 17 erstreckt. Die Vorsprünge 60 sind über dem Vorsprung 61 und auf einem Rand der Wand 20 angeordnet. Von zwei an derselben Seitenwand angeordneten Vorsprüngen 60, 61 kann sich der weiter von dem Substrat 24 beabstandete Vorsprung 60 in seitlicher Richtung weiter über die innere Oberfläche 17 der zugehörigen Seitenwand 20 hinaus erstrecken als der andere Vorsprung 61. Die seitlichen Ränder 14, 15 der Abdeckung 50 befinden sich zwischen den Säulen 60 und den Vorsprüngen 61. In der Position B kann sich die elastisch deformierbare Abdeckung 50 in einem elastisch deformierten Zustand befinden, in dem eine von dem ersten Ende 14 zu dem zweiten Ende 15 der Abdeckung 50 verlaufende Gerade einen Mittelteil der Abdeckung 50 schneidet, d. h. die Abdeckung 50 ist näherungsweise eben. Das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50 sind jedoch – bei sinnrichtiger Positionie rung der Abdeckung 50 relativ zu den Seitenwänden 20 – in Bezug auf die Oberfläche 41 des Substrats 24 während des Einfügens der Abdeckung 50 in den Gehäuserahmen 20 höher als der Mittelteil der Abdeckung 50.
Das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50 befinden sich – bezogen auf das Substrat 24 – oberhalb des Vorsprungs 61 und unterhalb des Vorsprungs 60, wodurch die Abdeckung 50 mit den Vorsprüngen 60 und 61 in Kontakt kommt. Der Anschluss 26 (zum Beispiel ein Stift) erstreckt sich durch ein Durchgangsloch 16' der Abdeckung 50. Die Basisplatte 23 befindet sich über dem Kühlkörper 37 und unter dem Substrat 24, wobei auf der oberen Oberfläche 41 des Substrats 24 Leiterbahnen 40, z. B. aus Kupfer, angeordnet sind. Die elektrischen Schaltkreise sind auf einer der Leiterbahnen 40 angeordnet und enthalten mindestens einen Halbleiterchip 43. Eine Aluminium-Bondleitung 27 verbindet den Halbleiterchip 43 zum Beispiel mit benachbarten der Leiterbahnen 40 oder mit einem weiteren Halbleiterchip (nicht dargestellt). Auf einer der Leiterbahnen 40 ist eine Hülse 25 angeordnet. Ein unteres Ende des Anschlusses 26 ist in die Hülse 25 eingesteckt und befindet sich in elektrisch leitendem Kontakt mit der Hülse 25. Ein oberes Ende des Anschlusses 26 erstreckt sich durch eine Öffnung 16 der Abdeckung 50 hindurch und über diese hinaus. Bei der Anordnung gemäß 4 dient der Vorsprung 60 als Trägerelement; das Trägerelement kann beispielsweise oberhalb eines seitlichen Randes 14, 15 der Abdeckung 50, alternativ dazu aber auch unterhalb der Abdeckung 50 angeordnet werden. Bei der Anordnung von 4 dient der Vorsprung 61 – wegen der zum Erzeugen der Vorspannung der Abdeckung im Vergleich zur Anordnung gemäß den 1 und 2 gegensinnigen Durchbiegung der Abdeckung – als Aufnahmeelement. Das Trägerelement und das Aufnahmeelement befinden sich in der in 4 dargestellten Position B auf einander gegenüber liegenden Seiten der Ränder der elastisch deformierten Abdeckung 50.
Ein Verfahren zum Zusammenbau des Leistungsmoduls 51 umfasst den Schritt des Bereitstellens des Gehäuses 21, das die Vorsprünge 61 und 60 enthält. Die Abdeckung 50 kann gestanzt werden. Nach der Stanzung ist die Form der Abdeckung 50 – in einem nicht vorgespannten Zustand und bei sinnrichtiger Positionierung der Abdeckung 50 oberhalb des Gehäuserahmens 20 – dergestalt, dass der Mittelteil der Abdeckung 50 weiter vom Substrat 24 beabstandet ist als das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50. Der Mittelteil der nicht vorgespannten Abdeckung 50 überschneidet sich nicht mit einer durch das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50 verlaufenden Geraden. Die gestanzte Abdeckung 50 weist die in 3 dargestellte gekrümmte Form auf. Durch Anwendung einer äußeren Kraft kann die Abdeckung 50 elastisch so deformiert werden, dass das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 – bei einer sinnrichtigen Positionierung der Abdeckung 50 oberhalb des Gehäuserahmens 20 – weiter von dem Substrat 24 beabstandet ist als der Mittelteil der Abdeckung 11. Die Abdeckung 50 wird auf diese Weise elastisch vorgespannt. Nach dem Wegnehmen der äußern Kraft versucht die Abdeckung 50, in ihre Ausgangsform, d. h. in den nicht vorgespannten Zustand zurück zu kehren.
Die Enden 14 und 15 der Abdeckung 50 werden dann zwischen den Vorsprüngen 61 und 60 angeordnet. Daraufhin wird die äußere Kraft von der Abdeckung 50 weg genommen. Die elastisch deformierte Abdeckung 50 versucht, in ihre entspannte Ausgangsform zurückzukehren und verspannt sich dabei zwischen den Vorsprüngen 61 und 60. Die Position und die Geometrie des Vorsprunges 60 be grenzt den maximalen Abstand zwischen der Abdeckung 50 und der Oberfläche 41 des Substrats 24 am Boden des Gehäuses 21. Die Vorsprünge 61 begrenzen den minimalen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 50. Die Form der eingespannten Abdeckung 50 ist in 4 in einer montierten Position B der Abdeckung 50 dargestellt. In diesem Zustand wird die Abdeckung 50 durch Kräfte an ihrer Stelle gehalten, die durch die Vorsprünge 61 und 60 auf die Abdeckung 50 ausgeübt werden.
Das Verfahren zum Zusammenbau des Leistungsmoduls von 4 ist eine einfache Art der Befestigung einer elastisch deformierbaren Abdeckung 50 an einem Gehäuse 21. Die Abdeckung 50 ist durch die Vorsprünge 61 und die Säulen 60 in einem elastisch deformierten Zustand eingespannt. Hierzu wird die Abdeckung 50 elastisch deformiert, dadurch vorgespannt und so an der Oberseite des Gehäuserahmens 20 angeordnet, dass die Enden 14 und 15 der Abdeckung 50 in Bezug auf die Oberfläche 41 des Substrats 24 abhängig von der Geometrie der Trägerelemente und der Aufnahmeelemente weiter oder alternativ weniger weit vom Substrat 24 beabstandet sind als der Mittelteil der Abdeckung 50.
5 ist eine Querschnittsansicht eines offenen Gehäuses 21 für ein Leistungsmodul 71 einer weiteren Ausgestaltung. Alle Schaltungselemente, wie etwa mehrere Substrate 24 und mehrere Halbleiterchips 43, sind in dem Gehäuse 21 angebracht. Das Gehäuse 21 enthält einen Rahmen 18, der die Seitenwände 20 mit den Aufnahmeelemente 32, die am oberen Teil des Rahmens 18 zur Aufnahme einer Abdeckung des gesamten offenen Gehäuses 21 angeordnet sind, umgibt. Da die Öffnung des Gehäuses 21 relativ groß ist, sind mehrere Trägerelemente 22 vorgesehen, um die Abdeckung bei der Positionierung zwischen den Aufnahmeelementen 32 an dem oberen Teil der Wände 20 zumindest näherungsweise in einer Ebene zu halten.
6 ist eine Querschnittsansicht einer Abdeckung 70 in einer nicht vorgespannten Position. In dieser nicht vorgespannten Position ist die Abdeckung so gebogen, dass sich die Mitte der Abdeckung 70 – bei einer sinnrichtigen Positionierung der Abdeckung 70 oberhalb der Seitenwände 20 – näher an dem Substrat 24 befindet als das erste und das zweite Ende 14 bzw. 15 der Abdeckung 70. In der Mitte kann eine kleine Öffnung 28, z. B. ein kleiner Schnitt oder ein Durchgangsloch, vorgesehen sein, an der ein Ziehstift 19 platziert werden kann, um die Abdeckung 70 in eine Position zu ziehen, in der die Abdeckung 70 vorgespannt ist. Die Kontur des Ziehstifts 19 ist durch gestrichelte Linien markiert.
7 ist eine Querschnittsansicht der Abdeckung 70 in einer vorgespannten Position. In einer solchen vorgespannten Position ist die Abdeckung 70 so gebogen, dass die Mitte der Abdeckung 70 – bei einer sinnrichtigen Positionierung der Abdeckung 70 oberhalb der Seitenwände 20 – weiter von dem Substrat 24 beabstandet ist als die Ränder 14 bzw. 15. Diese Vorspannung wird erzielt, indem die Ränder 14 und 15 der Abdeckung 70 bezüglich deren Mittelteil in die durch Pfeile C und D markierten Richtungen bewegt werden. Dies kann z. B. durch festhalten der Ränder 14 und 15 bei gleichzeitigem Ziehen an dem Ziehstift 19 erfolgen.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Werkzeugs 45, das die Abdeckung 70 von 7 vor deren Einsetzen in das Gehäuse 21 in der vorgespannten Position hält. Während die Enden 14 und 15 der Abdeckung 70 durch Stempel 38 und 39 an ihrer Position gehalten werden, ergreift eine Klammer 29 die Mitte der Abdeckung 70 und zieht sie in die Richtung eines Pfeils E. Bei diesem Werkzeug 45 sind weder ein kleiner Schnitt noch ein Ziehstift notwendig, um die Abdeckung 70 in eine vorgespannte Position zu ziehen, da die Klammernur die Seitenkanten 46, 47 der Abdeckung 70 jeweils etwa in deren seitlicher Mitte umgreift, wie dies in 9 dargestellt ist.
9 ist eine Draufsicht auf einen Horizontalschnitt durch die Anordnung gemäß 8 in einer Querschnittsebene A-A gemäß 8. An den Enden 14 und 15 der Abdeckung 70 sind die Stempel 38 und 39 dargestellt. In der seitlichen Mitte der Längsseiten 46, 47 der Abdeckung 70 umgreift die Klammer 29 mit ihren Armen 48 und 49, die Haken 52 und 53 aufweisen, die Längsseiten 46 und 47, um die Abdeckung 70 zusammen mit den Stempeln 38, 39 wie in 8 dargestellt anzuspannen. Die Klammer 29 kann auch nur einen Arm 48 und nur einen Haken 52 aufweisen. Der Haken 52 kann sich von der Seite 46 zu der Seite 47 der Abdeckung 70 erstrecken. Außerdem kann die Klammer 29 anstelle einer oder beider Längsseiten 46 und 47 in entsprechender Weise auch eie oder beide Schmalseiten der Abdeckung 70 umgreifen. In diesem Fall wären die Stempel 38, 39 im Bereich der seitlichen Mitte der Längsseiten 46 bzw. 47 anzuordnen.
10 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Werkzeugs 55, das die in 7 dargestellte Abdeckung 70 vor der Einfügung in das Gehäuse 21 in der vorgespannten Position hält. Während die Enden 14 und 15 der Abdeckung 70 durch die Stempel 38 und 39 in ihrer Position gehalten werden, ergreift eine Klammer 56 einen Ziehstift 19, der z. B. in einer kleinen mittigen Öffnung 28, beispielsweise einem kleinen länglichen Schnitt, der Abdeckung 70 positioniert sein kann. Um den Ziehstift 19 zu fixieren, wird ein Fußteil 57 des Ziehstifts 19 durch den kleinen Schnitt 28 hindurch geschoben und dann um etwa 90° gedreht. Dadurch ergreift die Klammer 56 den Stift 19 und zieht ihn in der Richtung des Pfeils F, um die Abdeckung 70 anzuspannen.
11 ist eine Draufsicht der vorgespannten Abdeckung 70 auf eine Querschnittsansicht des weiteren Werkzeugs 55 in einer Querschnittsebene A-A gemäß 10. In der Mitte der Abdeckung 70 ist ein kleiner Schnitt 28 vorgesehen, durch den der Ziehstift 19 mit seinem Fußteil 57 eingeführt und um etwa 90° gedreht ist, so dass die Klammer 56 ihn wie in 10 dargestellt ziehen kann. Die Mitte der Abdeckung 70 ist – bei einer sinnrichtigen Lage der Abdeckung 70 oberhalb ihrer Zielposition – in der vorgespannten Position höher als die Enden 14 und 15, und die projizierte Länge der Abdeckung 70 in Bezug auf die Öffnung des offenen Gehäuses 21, gegeben durch den Abstand zwischen den Enden 14 und 15 der Abdeckung 70, ist nun kleiner als die durch den Abstand der auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserahmens 18 angeordneten Aufnahmeelemente 32 bestimmte Öffnung des in 5 dargestellten offenen Gehäuses 21.
12 ist eine Querschnittsansicht der Abdeckung 70 gemäß 7 vor dem Anordnen der Abdeckung 70 in dem offenen Gehäuse 21 von 5. Wie oben erwähnt ist der Abstand zwischen den Enden 14, 15 der gebogenen und vorgespannten Abdeckung 70 nun kleiner als die Öffnung des offenen Gehäuses 21 von 5. Deshalb kann die Abdeckung 70 mit Hilfe eines der in 8 bzw. 10 dargestellten Werkzeuge 45 oder 55 in die Öffnung des in 13 dargestellten offenen Gehäuses 21 eingeführt werden.
13 ist eine Querschnittsansicht des Moduls, das durch die Abdeckung 70 gemäß 12 geschlossen ist. Durch die Wegnahme der Vorspannung, die beispielsweise mittels eines anhand der 8 oder 10 erläuterten Werkzeugs 45 oder 55 erzeugt worden sein kann, ist die Abdeckung 70 bestrebt, in ihre entspannte Ausgangslage zurück zu kehren. Hierbei streckt sich die Abdeckung 70 in den Richtungen der Pfeile G, so dass die seitlichen Ränder 14 und 15 der Abdeckung 70 die Aufnahmeelemente 32 substratseitig hintergreifen und die Abdeckung 70 dadurch fixiert wird. Die seitlichen Ränder 14 und 15 der Abdeckung 70 sind so ausgestaltet, dass sie in die Aufnahmeelemente 32 der Wände 20 des Gehäuses 21 passen. Ferner wird die Abdeckung 70 von mehreren Trägerelementen 22 des Gehäuses 21 getragen, wodurch ein Anpressdruck entsteht, der die Substrate 24 gegen einen an der Unterseite 36 der Basisplatte 23 montierbaren Kühlkörper (nicht dargestellt) presst und damit für eine verbesserte Ableitung der in den Halbleiterchips 43 erzeugten Wärme in Richtung des Kühlkörpers sorgt.
14 ist eine Querschnittsansicht des Leistungsmoduls 71 nach dem Schließen des Gehäuses 21 mit der Abdeckung 70. Da die Abdeckung 70 in Bezug auf ihren nicht vorgespannten Zustand vor dem Einsetzen in das Gehäuse 21 in einer entgegengesetzten Richtung durchgebogen war, drückt die Abdeckung 70 nun in die Richtung der Pfeile H auf die Trägerelemente 22 und in die Richtung der Pfeile I auf die Aufnahmeelemente 32 der Bahn 20 des Gehäuses 21. In dem Gehäuse 21 sind verschiedene Leistungsschaltungen mit jeweils mindestens einem Halbleiterchip 43 angeordnet. Jeder dieser Halbleiterchips 43 kann auf leitfähigen Schaltungsleitungen oder Bahnen eines von optional mehreren isolierenden Substraten 24 positioniert werden, die an der Basisplatte 23, die die untere Oberfläche 36 des Gehäuses 21 bildet, befestigt sind.
15 zeigt einen grundlegenden Modulaufbau ohne Anschlüsse, Verguss und Gehäuse. Die Schichten dieser 15 sind nicht maßstabsgetreu. Die Basisplatte 23 kann z. B. aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung bestehen. Diese Basisplatte 23 wird auf einem Kühlkörper 37 positioniert, der mehrere Kühlrippen 58 zur Wärmeableitung aufweist. An der Basisplatte 23 wird durch eine erste Verbindungsschicht 59, z. B. einem Lot oder einem elektrisch leitenden Kleber oder eine silberhaltige Schicht, ein isolierendes Substrat 24 fixiert. Auf der Oberfläche 41 des Substrats 24 befinden sich elektrische Leiterbahnen 40, zu denen auch Leiterflächen zu rechnen sind. Ein Leistungshalbleiter 43 wird durch eine zweite Verbindungsschicht 62, z. B. aus einem Lot oder einem elektrisch leitenden Kleber oder eine silberhaltige Schicht, an den Leiterbahnen 40 fixiert. Der Halbleiterchip 43 wird oberseitig zum Beispiel durch eine Bondleitung 27 aus Aluminium elektrisch mit einer Kontaktstelle 63 einer der leitfähigen Verbindungsbahnen 40 verbunden. Das isolierende Substrat 24 kann aus einem Keramikplattenmaterial bestehen, das auf beiden Oberflächen 41 und 42 kupferplattiert wird.
16 zeigt einen eingekapselten grundlegenden Modulaufbau 81 mit Anschlüssen, Harz, Gehäuse, einschließlich Leistungsanschlüssen 26, die sich die obere Abdeckung 80 eines Modulgehäuses 21 hindurch erstrecken. Darüber hinaus enthält das Modul eine Leiterplatte 64 für Verbindungen interner und/oder externer Ansteueranschlüsse 65. Zwischen der Leiterplatte 64 und Abdeckung 80 wird wahlweise ein Hartverguss 68, zum Beispiel aus einem Epoxidharz, platziert. Der grundlegende Modulaufbau 81 enthält ein erstes Substrat 66 und ein optiona les zweites Substrat 67. Ein Trägerelement 22 ist zwischen beiden Substraten 66 und 67 angeordnet. Die Substrate 66 und 67 sind auf einem Basisplattenmaterial, beispielsweise aus Kupfer oder aus Aluminium-Silizium-Carbid oder aus einem metallkeramischem Material, platziert und gelötet. Der Raum zwischen der Leiterplatte 64 und der Basisplatte 23 wird mit einer z. B. silikonbasierten Weichvergussmasse 69 aufgefüllt.
17 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Leistungsmoduls 91 im Detail. Leistungsanschlüsse 26 werden durch Löcher 16 einer Abdeckung 90 hindurch positioniert und kontaktieren Hülsen 25 in dem Gehäuse 21. Diese Hülsen 21 sind mit Kontaktstellen 63 verbunden. Von der Kontaktstelle 63 aus kontaktieren Bondleitungen 27 Bondkontaktstellen auf der Oberfläche mindestens eines Halbleiterchips 43, der auf ein Substrat 24 aufgelötet ist. Das Substrat 24, das mit einer optionalen unterseitigen Metallisierung versehen ist, wird durch eine Verbindungsschicht, z. B. aus einem Lot oder einem elektrisch leitenden Kleber oder einer silberhaltige Schicht, auf der Oberfläche 35 der Basisplatte 23 fixiert.
Obwohl hier spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist für Durchschnittsfachleute erkennbar, dass vielfältige alternative und/oder äquivalente Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Varianten der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Deshalb ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt wird.

Claims

Leistungsmodul, umfassend: ein Gehäuse (21) mit mehreren Aufnahmeelementen (32); ein Trägerelement (22); eine elastisch deformierbare Abdeckung (11, 50, 70, 80), die so auf dem Trägerelement (22) angeordnet ist, dass die Abdeckung (11, 50, 70, 80) durch die mehreren Aufnahmeelemente (32) und das Trägerelement (22) deformiert wird; und ein Substrat (24), das an dem Gehäuse (21) angebracht ist und einen Halbleiterchip (43) trägt.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (43) mindestens ein Element der folgenden Gruppe umfasst: einen Gleichrichter, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate, einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, einen Bipolartransistor, ein J-FET, eine Schottky-Diode, ein Thyristor.
Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aufnahmeelemente (32) ein Element der folgenden Gruppe umfassen: ein Einspannmittel, einen Vorsprung, eine Aussparung.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Trägerelement (22) eine Säule ist, die einen im Querschnitt rechteckigen Abschnitt umfasst.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Trägerelement (22) ein Vorsprung (61) ist, der auf einer Seite der Abdeckung (11, 50, 70, 80) abgewandten Seite des Aufnahmeelements (32) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abdeckung (11, 50, 70, 80) ein Metallmaterial mit mindestens einer Öffnung (16) umfasst.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abdeckung (11, 50, 70, 80) eine Form aufweist, die im allgemeinen ein Element der folgenden Gruppe umfasst: rechteckig, kreisförmig.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf einer Oberfläche (41) des isolierenden Substrats (24) mehrere leitfähige Verbindungsbahnen (40) angeordnet sind, wobei die mehreren leitfähigen Verbindungsbahnen (40) Aluminiummaterial und/oder Kupfermaterial umfassen, und wobei der Halbleiterchip (43) auf einer der leitfähigen Verbindungsbahnen (40) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 8, mit einem Lotmaterial (44), das zwischen dem Halbleiterchip (43) und der einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) angeordnet ist und das den Halbleiterchip (43) elektrisch mit der einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) verbindet.
Leistungsmodul, umfassend: ein Gehäuse (21) mit mehreren Vorsprüngen (32); mindestens eine in dem Gehäuse (21) angeordnete Säule (22); eine elastisch deformierbare Abdeckung (11, 50, 70, 80), die so an der mindestens einen Säule (22) angeordnet ist, dass die Abdeckung (11, 50, 70, 80) durch die mehreren Vorsprünge (32) und die mindestens eine Säule (22) eingespannt wird; mindestens ein elektrisch isolierendes Substrat (24), das an dem Gehäuse (21) angebracht ist und mindestens eine leitfähige Verbindungsbahn (40) aufweist; und einen auf einer der mindestens einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) angeordneten Halbleiterchip (43).
Leistungsmodul nach Anspruch 10, bei dem das Gehäuse (21) und/oder die Abdeckung (11, 50, 70, 80) Metallmaterial umfassen und bei dem die Abdeckung (11, 50, 70, 80) mindestens eine Öffnung (16) umfasst.
Leistungsmodul nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die mindestens eine leitfähige Verbindungsbahn (40) auf einer Oberfläche (41) des elektrisch isolierenden Substrats (24) angeordnet sind, wobei die mindestens eine leitfähige Verbindungsbahn (40) Aluminiummaterial oder Kupfermaterial umfasst.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit einem Lotmaterial (44), das zwischen dem Halbleiterchip (43) und einer der mindestens einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) angeordnet ist und den Halbleiterchip (43) elektrisch mit dieser leitfähigen Verbindungsbahn (40) verbindet, wobei die mindestens eine Säule (22) einen quaderförmigen Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt aufweist.
Leistungsmodul, umfassend: ein Gehäuse (21) mit mehreren Aufnahmeelementen (32); mindestens ein Trägerelement (22); eine elastisch deformierbare Abdeckung (11, 50, 70, 80), die so an dem mindestens einen Trägerelement (22) angeordnet ist, dass die Abdeckung (11, 50, 70, 80) durch die mehreren Aufnahmeelemente (32) und das mindestens eine Trägerelement (22) eingespannt wird; und mindestens ein an dem Gehäuse (21) angebrachtes elektrisch isolierendes Substrat (24).
Leistungsmodul nach Anspruch 14, bei dem das Gehäuse (21) und/oder die Abdeckung (11, 50, 70, 80) ein Metallmaterial umfasst, und bei dem die Abdeckung (11, 50, 70, 80) mindestens eine Öffnung (16) aufweist.
Leistungsmodul nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Aufnahmeelement (32) als Vorsprung oder als Aussparung ausgebildet ist und wobei das Trägerelement (22) ein Vorsprung ist, der auf einer Seite dem Aufnahmeelement (32) abgewandten Seite der Abdeckung (11, 50, 70, 80) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Trägerelement (22) als Säule ausgebildet ist, die einen blockförmigen Abschnitt umfasst, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem mindestens eine leitfähige Verbindungsbahn (40) auf dem Substrat (24) angeordnet ist und die mindestens eine leitfähige Verbindungsbahn (40) Aluminiummaterial und/oder Kupfermaterial umfasst.
Leistungsmodul nach Anspruch 18 mit einem auf einer der mindestens einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) angeordneten Halbleiterchip (43); und ein zwischen dem Halbleiterchip (43) und der einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) angeordnetes Lotmaterial (44); wobei sich das Lotmaterial (44) mit dem Halbleiterchip (43) und mit der einen leitfähigen Verbindungsbahn (40) in Kontakt befindet.
Leistungsmodul umfassend: ein Gehäuse (21); mindestens ein an dem Gehäuse (21) angebrachtes Substrat (24); eine Abdeckung (11, 50, 70, 80) des Gehäuses (21); wenigstens ein Trägermittel (22) zum Tragen der Abdeckung (11, 50, 70, 80); und wenigstens ein an einer Seitenwand (20) des Gehäuses (21) angebrachtes Einspannmittel (32, 60, 61); wobei die Abdeckung (11, 50, 70, 80) mittels des wenigstens einen Trägermittels (22) und mittels des wenigstens einen Einspannmittels fest eingespannt und gegenüber dem Substrat (24) fixiert ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 20, bei dem das Gehäuse (21) oder die Abdeckung (11, 50, 70, 80) ein Metallmaterial umfasst und die Abdeckung (11, 50, 70, 80) mindestens eine Öffnung (16) umfasst.
Leistungsmodul nach Anspruch 20 oder 21, bei dem das Einspannmittel (60, 61) ein Vorsprung oder eine Aussparung ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem das Trägermittel (22) ein Vorsprung ist, der auf einer der Abdeckung (11, 50, 70, 80) abgewandten Seite des Einspannmittels (60, 61) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem das Trägermittel (22) als Säule ausgebildet ist und einen blockförmigen Abschnitt mit umfasst, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 20 bis 24, mit einem an die leitfähige Verbindungsbahn (40) angelöteten Halbleiterchip (43), wobei mehrere leitfähige Verbindungsbahnen (40) auf einer Oberfläche (41) des isolierenden Substrats (24) angeordnet sind, und wobei die leitfähige Verbindungsbahn (40) Aluminiummaterial und/oder Kupfermaterial umfasst.
Verfahren zur Montage eines Leistungsmoduls, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses (21), das mehrere Aufnahmeelemente (32) umfasst; Bereitstellen eines Substrats (24), das einen Halbleiterchip (43) trägt, in dem Gehäuse (21); Bereitstellen eines Trägerelements (22); Bereitstellen einer elastisch deformierbaren Abdeckung (11, 50, 70, 80); Erzeugen einer Vorspannung der elastisch deformierbaren Abdeckung (11, 50, 70, 80); Positionieren der vorgespannten Abdeckung (11, 50, 70, 80) über dem Trägerelement (22); und Lösen der Vorspannung, so dass die elastisch deformierbare Abdeckung (11, 50, 70, 80) durch das Trägerelement (22) und die mehreren Aufnahmeelemente (32) eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner mit dem Schritt des Bereitstellens mehrerer leitfähiger Verbindungsbahnen (40) auf einer Oberfläche (41) des Substrats (24).
Verfahren nach Anspruch 27 mit dem Schritt des Bereitstellens eines Lotmaterials (44) auf einer der leitfähigen Verbindungsbahnen (40).
Verfahren nach Anspruch 28 mit dem Schritt des Bereitstellens eines Halbleiterchips (43) auf dem Lotmaterial (44).
Verfahren nach Anspruch 29 mit dem Schritt des elektrischen Verbindens des Halbleiterchips (43) mit der einen der leitfähigen Verbindungsbahnen mittels des Lotmaterials.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses (21), das an dem Gehäuse angeordnete Vorsprünge (32, 61) aufweist; Anordnen mindestens eines elektrisch isolierenden Substrats (24) in dem Gehäuse (21); wobei das Substrat (24) leitfähige Verbindungsbahnen (40) aufweist; Anordnen eines Leistungshalbleiters (43) auf einer der leitfähigen Verbindungsbahnen (40); Anordnen mindestens einer Säule (22) in dem Gehäuse (21); Anordnen einer vorgespannten, elastisch deformierbaren Abdeckung (11, 50, 70, 80) über der mindestens einen Säule (22); und Lösen der Vorspannung, so dass die elastisch deformierte Abdeckung (11, 50, 70, 80) durch die mindestens eine Säule (22) und die mehreren Vorsprünge (32, 61) eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 31 mit dem Schritt des Bereitstellens eines Lotmaterials (44) auf der einen der leitfähigen Verbindungsbahnen (40).
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Säule (22) einen rechteckigen Querschnitt aufweist und als quaderförmiger Block ausgebildet ist oder einen Abschnitt aufweist, der als quaderförmiger Block ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, bei dem zumindest einer der Vorsprünge (61) auf einer einem Aufnahmeelement (32) abgewandten Seite der Abdeckung (11, 50, 70, 80) angeordnet ist.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses (21), das Aufnahmeelemente (32) aufweist; Anordnen mindestens eines elektrisch isolierenden Substrats (24) in dem Gehäuse (21); Bereitstellen mindestens eines Trägerelements (22); Anordnen einer vorgespannten und durch die Vorspannung elastisch deformierten Abdeckung (11, 50, 70, 80) über dem mindestens einen Trägerelement (22); und Lösen der Vorspannung, so dass sich die elastisch deformierte Abdeckung (11, 50, 70, 80) teilweise entspannt und dabei durch das mindestens eine Trägerelement (22) und die mehreren Aufnahmeelemente (32) eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 35 mit dem Schritt des Bereitstellens mehrerer leitfähiger Verbindungsbahnen (40) auf einer Oberfläche (41) des isolierenden Substrats (24).
Verfahren nach Anspruch 36 mit dem Schritt des Bereitstellens eines Lotmaterials (44) auf einer der leitfähigen Verbindungsbahnen (40).
Verfahren nach Anspruch 37 mit dem Schritt des Bereitstellens eines Halbleiterchips (43) auf dem Lotmaterial (44).
Verfahren nach Anspruch 38 mit dem Schritt des elektrischen Verbindens des Halbleiterchips (43) mit der einen leitfähigen Verbindungsbahn (44) mittels des Lotmaterials (44).