DE102009000588A1

DE102009000588A1 - Leistungshalbleitermodul mit verbesserter Isolationsfestigkeit und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit verbesserter Isolationsfestigkeit

Info

Publication number: DE102009000588A1
Application number: DE102009000588A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Spanke; Roman Lennart Tschirbs
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: US7763970B2; CN101552264A; CN101552264B; DE102009000588B4; US20090213553A1

Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse umfasst eine Schalung und mindestens eine Beschichtung mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. An dem Gehäuse werden mehrere elektrische Leiter vorgesehen. Die Beschichtung wird auf einer Kriechstrecke vorgesehen, die zwischen den elektrischen Leitern vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
Der Abstand zwischen leitfähigen Teilen ist für den Entwurf elektrischer Geräte wichtig. Der Abstand so ausgelegt, dass er groß genug ist, um einen elektrischen Durchschlag zwischen voneinander zu isolierenden leitfähigen Teilen, insbesondere in einer Hochspannungsumgebung, zu vermeiden. Der erforderliche Abstand zwischen den leitfähigen Teilen zur Isolation ist abhängig von dem Verschmutzungsgrad der die leitfähigen Teilen umgebenden Umgebung, Abständen der leitfähigen Teile zu anderen leitfähigen Teilen, der Arbeitsspannung des Geräts und dem vergleichenden Kriechwegbildungsindex bzw. Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung von in dem Gerät verwendetem Material.
Der Abstand kann gemäß IEC 60664 durch lichte Weite und Kriechstrecke charakterisiert werden. Die lichte Weite ist im allgemeinen definiert als die durch Luft gemessene kürzeste Distanz zwischen zwei leitfähigen Teilen. Die Kriechstrecke ist im allgemeinen definiert als der entlang einer Oberfläche der Isolation gemessene kürzeste Weg zwischen zwei leitfähigen Teilen. Der vergleichende Kriechwegbildungsindex (CTI – Comparative Tracking Index) eines Materials ist ein Maß für einen Widerstand des Isolators gegenüber Oberflächenkriechwegbildung, einem elektrischen Durchschlag auf der Oberfläche des Materials.
Im Allgemeinen muss das für ein Gehäuse beispielsweise eines Leistungshalbleitermoduls verwendete Material unterschiedlichste Anforderungen erfüllen. Zum Einen muss es mit den übrigen in dem Modul verwendeten Werkstoffen, z. B. mit einer Vergussmasse oder mit Klebstoffen, verträglich sein. Außerdem muss es bestimmte Reinheitsbedingungen erfüllen, um den Ein satz in der Nähe von gehäuselosen Halbleiterchips zu ermöglichen, da es anderenfalls zu einer Verunreinigung des Halbleiterchips kommen kann, die dessen Funktionsfähigkeit und/oder dessen Lebensdauer nachteilig beeinträchtigt. Das Material sollte weiterhin leicht zu verarbeiten sein, so dass sich beispielsweise thermoplastische Materialien anbieten. Außerdem sollten die Materialien eine ausreichende Temperaturbeständigkeit in einem Betriebstemperaturbereich von etwa –40°C bis +125°C aufweisen. Ein weiterer Aspekt besteht in den Brennbarkeitsanforderungen. So kann beispielsweise eine Selbstverlöschung nach UL94:V-0 erforderlich sein. Auch darf das Material keinen zu hohen Feuchtigkeitsanteil aufweisen, um bei der Herstellung des Gehäuses eine Blasenbildung zu vermeiden, welche die Isolationsfestigkeit nachteilig beeinträchtigen würde. Der Feuchtigkeitsanteil soll vorzugsweise deutlich kleiner sein als 1 Vol%. Durch Temperaturänderungen der Module kommt es außerdem zu Längenänderungen und damit einhergehend zu mechanischen Spannungen, die das Gehäuse ausgleichen soll. Das Material muss daher eine ausreichend hohe Bruchdehnung aufweisen. Außerdem kann bei bestimmten Applikationen eine Rauchgasklassifizierung nach NFF erforderlich sein. Nicht zuletzt soll das verwendete Material nur mit geringen Kosten verbunden sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul mit einer verbesserten Isolationsfestigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 bzw. durch Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß den Ansprüchen 18 und 21 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es wird hier ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse offenbart, wobei das Gehäuse folgendes umfaßt: eine Schalung und mindestens eine Beschichtung mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung; und mehrere an dem Gehäuse vorgesehene elektrische Leiter, wobei die Beschichtung auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern vorgesehen ist.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls offenbart. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines Gehäuses. An dem Gehäuse sind mehrere elektrische Leiter vorgesehen. Auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern wird mindestens eine Beschichtung mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung vorgesehen.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls das Bereitstellen eines Gehäuses. An dem Gehäuse sind mehrere elektrische Leiter vorgesehen. Das Gehäuse wird teilweise mit einer Beschichtung überdeckt, die für Oberflächenkriechwegbildung auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern suszeptibel ist.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Merkmale und Vorteile beschränkt. Fachleute werden bei Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
Das neuartige Leistungsmodul kann unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung besser verstanden werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Statt dessen wird die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung betont.
Darüber hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. Es zeigen:
1 eine Teilquerschnittsansicht eines ersten neuartigen Leistungsmoduls;
2 eine Teilquerschnittsansicht eines zweiten neuartigen Leistungsmoduls;
3 eine Teilquerschnittsansicht eines dritten neuartigen Leistungsmoduls;
4 eine Teilqschnittsansicht eines vierten neuartigen Leistungsmoduls;
5 eine Draufsicht auf das in 4 gezeigte Leistungsmodul;
6 eine isometrische Ansicht eines fünften neuartigen Leistungsmoduls;
7 eine Querschnittsansicht eines sechsten neuartigen Leistungsmoduls;
8 eine Querschnittsansicht eines siebten neuartigen Leistungsmoduls;
9 eine Querschnittsansicht eines achten neuartigen Leistungsmoduls;
10 eine Querschnittsansicht eines neunten neuartigen Leistungsmoduls;
11 eine Querschnittsansicht eines zehnten neuartigen Leistungsmoduls;
12 eine Querschnittsansicht eines elften neuartigen Leistungsmoduls; und
13 eine Draufsicht auf das in 12 gezeigte Leis tungsmodul.
1 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines ersten neuartigen Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 umfaßt ein Gehäuse 11 und eine Basisplatte 12 und ist an einem Kühlkörper 13 angebracht, der nicht durch das Modul 10 umfaßt wird. Das Gehäuse 11 ist auf einer ersten Oberfläche der Basisplatte 12 angeordnet. Der Kühlkörper 13 ist auf einer zweiten Oberfläche der Basisplatte 12 angeordnet, wobei die zweite Oberfläche der Basisplatte 12 der ersten Oberfläche der Basisplatte 12 gegenüberliegt. Das Gehäuse 11 enthält mehrere Wände 15 und eine Beschichtung 16. Die Beschichtung 16 ist an eine äußere Oberfläche 17 der Wände 15 angrenzend und in Kontakt mit dieser angeordnet.
Die Wände 15 bilden eine Umhüllung, die ein Substrat 19, mehrere Leitungen 20, mehrere Haupthochspannungskontakte oder Hauptkontakte 21, mehrere Hilfskontakte 22 und eine Vergussmasse 23 umgibt. Die Vergussmasse 23 kann Harz oder ein Silikongel sein. Das Substrat 19 ist an die Basisplatte 12 angebracht. Die mehreren Hauptkontakte 21 sind über dem Substrat 19 und in einem zentralen Teil des Gehäuses 11 angeordnet. Die mehreren Hilfskontakte 22 sind auf dem Substrat 19 in einem äußeren Teil des Gehäuses 11 angeordnet. Es ist auch möglich, die Hauptkontakte 21 in einem äußeren Teil des Gehäuses 11 und die Hilfskontakte 22 in einem zentralen Teil des Gehäuses 11 anzuordnen. Die Leitungen 20 sind zwischen den Hilfskontakten 22 und dem Substrat 19 angebracht. Die Vergussmasse 23 füllt einen Innenraum des Gehäuses 11 und überdeckt das Substrat 19, die mehreren Leitungen 20, einen räumlichen Teil jedes der mehreren Hauptkontakte 21 und einen räumlichen Teil jedes der mehreren Hilfskontakte 22. Die Beschichtung 16 ist auf einer Kriechstrecke vorgesehen, die zwischen dem Hilfskontakt 22 und dem Kühlkörper 13 und dem Hilfskontakt 22 und der Basisplatte 12 verläuft.
Die Hauptkontakte 21, die Hilfskontakte 22 und der Kühlkörper 13 sind elektrische Anschlüsse in Form elektrischer Leiter. Die Wände 15 bilden eine Schalung. Die Schalung und die Beschichtung 16 bilden das Gehäuse 11.
1 zeigt das Gehäuse 11 mit den Wänden 15 und der Beschichtung 16. Die Beschichtung 16 kann im Vergleich zu den Eigenschaften der Wände 15 gleiche Eigenschaften umfassen. Andere Eigenschaften der Beschichtung 16 können von denen der Wände 15 verschieden sein. Die Beschichtung 16 umfaßt ein Abschirmmaterial mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung oder elektrischem Durchschlag. Die Beschichtung 16 mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung kann ein Dünnfilm, eine selbständige Schicht oder eine Lackierung sein.
Die Wände 15 umfassen ein Wandmaterial mit thermischer und elektrischer Isolation. Die elektrisch isolierende Eigenschaft der Wände 15 schirmt den Benutzer vor elektrischer Spannung in dem Gehäuse 11 ab. Außerdem kann das Wandmaterial auch mit anderen Materialien des Gehäuses 11, wie zum Beispiel einer Vergussmasse 23, kompatibel sein. Die Feuchtigkeitsabsorptionsrate des Wandmaterials kann kleiner als 1 Prozent sein. Feuchtigkeit, die von dem Wandmaterial absorbiert wird, kann bewirken, daß eine Vergussmasse, die an dem Wandmaterial angebracht ist, von dem Wandmaterial getrennt wird, wenn die Feuchtigkeit verdampft und das Wandmaterial verläßt. Weiterhin kann das Wandmaterial eine vorbestimmte Steifigkeit aufweisen, die mechanische Struktur für das Gehäuse 11 bereitstellt.
Es ist möglich, daß die Wand- und Abschirmmaterialien nicht leicht brennbar und leicht herstellbar sind. Außerdem können die Wand- und Abschirmmaterialien in der Lage sein, Temperaturen im Bereich zwischen 50 Grad Celsius (C) und 200 Grad Celsius (C) zu widerstehen. Eine Luminanz von Oberflächen der Wand- und Abschirmmaterialien kann ein leichtes Markieren der Wand 15 und der Beschichtung 18 mit Laser ermöglichen.
Wie in 1 gezeigt ist führt der Kühlkörper 13 in dem Gehäuse 11 erzeugte Wärme ab und stellt eine elektrische Masse bereit. Die Basisplatte 12 trägt das Substrat 19 mechanisch und leitet in dem Gehäuse 11 erzeugte Wärme zu dem Kühlkörper 13. Das Substrat 19 umfaßt ein elektrisch isolierendes Material und bildet eine Basis zur Anbringung von Leistungshalbleiterchips und anderen elektrischen Einrichtungen.
Die Hauptkontakte 21, so wie sie hier vorgesehen sind, sind Anschlüsse zum Empfangen oder Abgeben von elektrischen Signalen mit Spitzenspannung. Die Spitzenspannung kann auf Werte von mehr als 6500 Volt ansteigen. Die Hilfskontakte 22 sind Anschlüsse zum Empfangen oder Abgeben von elektrischen Signalen kleinerer Spitzenspannungen als die, die die Hauptkontakte 21 abgeben oder empfangen. Die von den Hilfskontakten 22 übertragene Spitzenspannung kann im Bereich von zwischen –20 V und +20 Volt liegen. Die Hauptkontakte 21 und die Hilfskontakte 22 können mit externen elektrischen Schaltkreisen und mit auf dem Substrat 19 befindlichen internen elektrischen Schaltkreisen verbunden sein. Die Leitungen 20 übertragen elektrische Signale zwischen dem Substrat 19 und den Hilfskontakten 22. Die Vergussmasse 23 schirmt Teile in dem Gehäuse 11 vor der das Leistungsmodul 10 umgebenden Umgebung ab. Das Leistungsmodul 10 umfaßt mindestens einen Leistungshalbleiterchip zum Betrieb mit hohen Spannungspegeln. Das Leistungsmodul 10 ist ein sogenanntes Leistungs-Halbleitermodul.
Ein erstes beispielhaftes Verfahren zum Herstellen des ersten Leistungsmoduls 10 umfaßt die Bereitstellung eines Substrats 19. Das Substrat 19 wird auf der Basisplatte 12 angeordnet. Dann werden die Wände 15 an der oberen Oberfläche der Basisplatte 12 angebracht. Die Leitungen 20, die Hauptkontakte 21 und die Hilfskontakte 22 werden danach an einer oberen Oberfläche des Substrats 19 angebracht. Die Beschichtung 16 wird dann auf die äußere Oberfläche 17 der Wand 15 aufgebracht.
Der Schritt des Aufbringens der Beschichtung 16 auf der Wand 15 nach dem Schritt des Zusammenbauens der Teile in dem Gehäuse 11 ermöglicht die Bereitstellung der Beschichtung 16 an einem zusammengebauten Gehäuse 11.
Ein zweites Verfahren zum Herstellen des ersten Leistungsmoduls 10 umfaßt das Bereitstellen der Wände 15. Die Beschichtung 16 wird dann auf die äußere Oberfläche 17 der Wand 15 aufgebracht. Das Substrat 19 wird danach auf der Basisplatte 12 platziert. Die Wände 15 werden an der oberen Oberfläche der Basisplatte 12 angebracht. Dann werden die Leitungen 20, die Hauptkontakte 21 und die Hilfskontakte 22 an einer oberen Oberfläche des Substrats 19 angebracht. Der Schritt des Zusammenbauens der Teile in dem Gehäuse 11 nach dem Schritt des Aufbringens der Beschichtung 16 auf die Wand 5 vermeidet die Möglichkeit einer Beschädigung des zusammengebauten Gehäuses 11 während des Schritts des Aufbringens der Beschichtung 16 auf die Wand 15.
Die Beschichtung 16 kann durch Gießen gebildet werden. Der Gußprozeß kann ein Kunststoff-Spritzgußprozeß sein. Nach diesem Schritt können die Wände 15 an einer inneren Oberfläche der Beschichtung 16 vorgesehen werden.
Das in 1 gezeigte Beispiel für ein neuartiges Leistungsmodul stellt eine Kriechstrecke bereit, die zwischen den Kontakten 21, 22 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 mit der Beschichtung 11 mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung verläuft. Die Beschichtung 11 vergrößert den Widerstand der Kriechstrecke gegenüber Oberflächenkriechwegbildung.
In dem Leistungsmodul 10 werden Signale mit hohen Spitzenspannungen zu den Hauptkontakten 21 übertragen. Der Kühlkörper 13 oder die Basisplatte 12 können elektrisch mit Masse verbunden sein. In diesem Fall tritt eine große elektrische Potentialdifferenz zwischen den Hauptkontakten 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 auf. Die große elektrische Potentialdifferenz belastet die Komponenten zwischen den Hauptkontakten 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 und kann einen elektrischen Durchschlag der Komponenten verursachen und einen elektrischen Stromleckweg zwischen den Hauptkontakten 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 bilden. Der elektrische Stromleckweg kann entlang dem kürzesten Oberflächenweg zwischen dem Hauptkontakt 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 angeordnet sein, wobei es sich um die Kriechstrecke handelt. Die Beschichtung 16 mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung, die auf der Kriechstrecke angeordnet ist, vergrößert vorteilhafterweise den Widerstand der Kriechstrecke gegenüber Oberflächenkriechwegbildung nicht nur für den Hilfskontakt 22, sondern für die Hauptkontakte 21 und somit für das Leistungsmodul 10.
Die Beschichtung 16 und die Wände 15 stellen vorteilhafterweise das Gehäuse 11 bereit. Die Beschichtung 16 stellt die Eigenschaft hohen Widerstands gegenüber Oberflächenkriechwegbildung für das Gehäuse 11 bereit. Die Wände 15 können die Eigenschaften elektrischer Isolation, geringer Feuchtigkeitsabsorption, der Steifigkeit und mechanische Struktur für das Gehäuse 11 bereitstellen. Es ist leichter, ein Material zu beschaffen, das die Eigenschaften der Beschichtung 16 bereitstellt, und ein zweites Material, das die Eigenschaften der Wände 15 bereitstellt, als ein einziges Material, das die Eigenschaften der Beschichtung 16 und der Wände 15 zeigt.
2 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines zweiten neuartigen Leistungsmoduls 25. Das Leistungsmodul 25 umfaßt ein Gehäuse 26 und eine Basisplatte 12. Das Gehäuse 26 wird auf der Basisplatte 12 vorgesehen und die Basisplatte 12 danach an einem Kühlkörper 13 angeordnet.
Das Gehäuse 26 umfaßt eine Wand 27 und eine Beschichtung 28. Auf einer Kontaktoberfläche 30 der Beschichtung 28 sind meh rere Schichtrillen 32 vorgesehen. Auf einer äußeren Oberfläche 29 der Wand 27 sind mehrere Wandrillen 31 vorgesehen. Die Wandrillen 31 der zweiten Wand 27 sind mit den Schichtrillen 32 der Beschichtung 28 verzahnt. Die Wände 27 schließen die mehreren Hauptkontakte 21, die mehreren Hilfskontakte 22, die mehreren Leitungen 20, das Substrat 19 und die Vergussmasse 23 ein. Die Beschichtung 28 wird auf einer Kriechstrecke vorgesehen, die zwischen den Hauptkontakten 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 und zwischen dem Hilfskontakt 22 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 verläuft.
Die Schichtrillen 32 bilden einen festen Kontakt mit den Wandrillen 31. Der feste Kontakt fixiert dadurch die Beschichtung 28 auf der Wand 27 und verhindert eine Verlagerung der Beschichtung 28. Eine lose Verbindung zwischen der zweiten Wand 27 und der zweiten Beschichtung 28 kann nachteilhafterweise die Bildung einer zwischen den Hauptkontakten 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 verlaufenden Kriechstrecke auf einer Oberfläche zwischen der Wand 27 und der Beschichtung 28 erlauben.
3 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines dritten neuartigen Leistungsmoduls 35. Das Leistungsmodul 35 umfaßt ein Gehäuse 36 und eine Basisplatte 12. Das Gehäuse 36 wird auf der Basisplatte 12 platziert, während die Basisplatte 12 danach an einem Kühlkörper 13 angebracht wird.
Das Gehäuse 36 umfaßt eine Wand 37 und eine Beschichtung 38. Die Wand 37 umfaßt eine äußere Oberfläche 39. Auf der äußeren Oberfläche 39 sind mehrere Wandrillen 43 vorgesehen. Die Beschichtung 38 umfaßt eine äußere Oberfläche 42 und eine innere Oberfläche 40, die der äußeren Oberfläche 42 gegenüberliegt. Auf der inneren Oberfläche 40 sind mehrere Schichtrillen 44 vorgesehen, und auf der äußeren Oberfläche 42 sind mehrere Vorsprünge 41 vorgesehen. Die Wandrillen 43 sind mit den Schichtrillen 44 verzahnt. Die Wand 37 umschließt die Hauptkontakte 21, die Hilfskontakte 22, die Leitungen 20, das Substrat 19 und die Vergussmasse 23. Die Beschichtung 38 wird auf einer Kriechstrecke vorgesehen, die zwischen dem Hauptkontakt 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 und zwischen dem Hilfskontakt 22 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 verläuft.
Die Vorsprünge 41 der Beschichtung 38 vergrößern vorteilhafterweise die zwischen dem Hilfskontakt 22 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 verlaufende Kriechstrecke. Die Kriechstrecke wird ohne Zunahme der äußeren Abmessungen des Leistungsmoduls 35 vergrößert. Die vergrößerte Kriechstrecke vergrößert den Widerstand der Kriechstrecke gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. Die Wandrillen 43 und die Schichtrillen 44 fixieren die Beschichtung 38 auf der Wand 37 und verhindern, daß sich die Beschichtung 38 verlagert. Eine lose Verbindung zwischen der Wand 37 und der Beschichtung 38 kann nachteilhafterweise die Bildung einer zwischen dem Hauptkontakt 21 und dem Kühlkörper 13 oder der Basisplatte 12 verlaufenden Kriechstrecke auf einer Oberfläche zwischen der Wand 37 und der Beschichtung 38 erlauben.
4 zeigt einen Querschnitt eines vierten neuartigen Leistungsmoduls 45. Das Leistungsmodul 45 umfaßt ein Gehäuse 46 und eine Basisplatte 49. Das Gehäuse 46 wird auf der Basisplatte 49 angebracht, und die Basisplatte 49 wird danach an einem Kühlkörper 50 angebracht. Das Gehäuse 46 umfaßt mehrere Wände 47 und eine Beschichtung 48. Das Gehäuse 46 ist eine Art von Schalung. Die Wand 47 besitzt eine äußere Oberfläche. Die Beschichtung 48 besitzt eine innere Oberfläche 55 und eine äußere Oberfläche 56. Die innere Oberfläche 55 der Beschichtung 48 befindet sich angrenzend an die äußere Oberfläche 57 der Wand 47. Als Alternative zu dem Kontaktieren oder Verbinden der Beschichtung 48 an die äußere Oberfläche 57 des Gehäuses 46 kann sich die Beschichtung an eine innere Oberfläche der Wand 47 angrenzend befinden. Auf der äußeren Oberfläche 56 der Beschichtung 48 sind mehrere Vorsprünge 58 vorgesehen. Die Wände 47 umfassen ein isolierendes Material, während die Beschichtung 48 ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung umfaßt.
Die mehreren Wände 47 bilden eine Umhüllung, die mehrere Hauptkontakte 60, mehrere Hilfskontakte 61, mehrere Substrate 62 und mehrere Leistungshalbleiterchips 63 umgibt. Das Substrat 62 wird über der Basisplatte 49 und an diese angrenzend angeordnet. Über und in Kontakt mit dem Substrat 62 wird ein Leistungshalbleiterchip 63 vorgesehen. Die Hauptkontakte 60 und die Hilfskontakte 61 sind über den Substraten 62 angeordnet.
Gemäß 5, die eine Draufsicht des in 4 gezeigten Moduls darstellt, sind die Hauptkontakte 60 in einem zentralen Teil der Oberfläche der Umhüllung vorgesehen, der parallel zu einer Oberfläche der Basisplatte 49 ist. Die Hilfskontakte 61 befinden sich in einem äußeren Teil der Oberfläche der Umhüllung, der parallel zu einer Oberfläche der Basisplatte 49 ist, und sind teilweise von der Beschichtung 48 umgeben.
Der Halbleiterchip 63 kann in Form eines analogen Halbleiterchips, eines digitalen Halbleiterchips oder eines Mischsignal-Halbleiterchips vorliegen. Bei einem anderen Beispiel kann der Halbleiterchip eine passive Komponente wie etwa ein Widerstand sein. Der Leistungshalbleiter 63 kann mit hohen Spannungen arbeiten. Das Leistungsmodul 45 bzw. Leistungshalbleitermodul umfaßt den Leistungshalbleiterchip 63 in dem Gehäuse 46.
Das Leistungsmodul 45 umfaßt eine (nicht gezeigte) Kriechstrecke CD1, die sich zwischen dem Hilfskontakt 61 und der Basisplatte 49 befindet, und eine (nicht gezeigte) Kriechstrecke CD2, die sich zwischen dem Hauptkontakt 60 und der Basisplatte 49 befindet. Die Beschichtung 48 wird selektiv auf der Kriechstrecke CD1 angeordnet, statt der Kriechstrecke CD2. Die Tendenz einer Kriechstrecke, unter elektrischem Durchschlag zu leiden, ist abhängig von der Größe der Span nung, die an elektrische Leiter angelegt wird, die sich an den Enden der Kriechstrecke befinden, der Kriechstrecke und dem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung der Kriechstrecke. Die Beschichtung 48 wird selektiv auf einer Kriechstrecke platziert, die anfälliger für elektrischen Durchschlag während der Anwendung ist oder diesen wahrscheinlicher erleidet. Wie in 5 gezeigt, überdeckt die Beschichtung 48 das Gehäuse 46 nur teilweise.
6 ist eine isometrische Ansicht eines fünften beispielhaften Leistungsmoduls 65. Das Leistungsmodul 65 umfaßt eine Abdeckung 66 und mehrere Beschichtungen 67. Die Beschichtung 67 wird an die Abdeckung 66 angrenzend platziert. Die Abdeckung 66 umfaßt ein elektrisch isolierendes Material, während die Beschichtung 67 ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung umfaßt. Auf der Abdeckung 66 sind mehrere Steckerkontakte 71 und mehrere Schraubenkontakte 72 vorgesehen. Die Beschichtung 67 wird zwischen dem Schraubenkontakt 72 und dem angrenzenden Schraubenkontakt 72 vorgesehen. Die Beschichtung 67 wird auch zwischen den Steckerkontakten 71 und den angrenzenden Steckerkontakten 71 platziert.
6 zeigt eine Kriechstrecke CD3 zwischen dem Schraubenkontakt 72 und dem angrenzenden Schraubenkontakt 72 und eine Kriechstrecke CD4 zwischen dem Steckerkontakt 71 und einem anderen elektrischen Leiter, wie zum Beispiel der in 4 und 5 gezeigten Basisplatte, die sich unter dem Leistungsmodul 65 befindet. Die Kriechstrecke CD3 ist auf der Beschichtung 67 angeordnet, während sich die Kriechstrecke CD4 auf der Beschichtung 67 befindet.
6 zeigt auch einen alternativen Stromweg CD5 (gestrichelte Linie) zwischen dem Steckerkontakt 71 und einem anderen elektrischen Leiter, der sich unter dem Leistungsmodul 65 befindet, und einen alternativen elektrischen Stromleckweg CD6 (gestrichelte Linie), zwischen dem Schraubenkontakt 72 und dem angrenzenden Schraubenkontakt 72. Der alternative Stromweg CD5 umfaßt einen Weg auf der Abdeckung 66 und einen Weg auf der Beschichtung 67, während der alternative elektrische Stromleckstromweg CD6 einen Weg auf der Abdeckung 66 umfaßt. Ein elektrischer Stromleckstrom kann sich aufgrund des hohen Widerstands gegenüber Oberflächenkriechwegbildung, der durch die fünfte Beschichtung 67 bereitgestellt wird, auf den alternativen Leckwegen CD5 und CD6 ausbreiten, statt sich auf den Kriechstrecken CD3 und CD4 auszubreiten. Die Wege CD5 und CD6 weisen im Vergleich zu den Wegen CD3 und CD4 eine größere Länge auf, um einen äquivalenten Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung bereitzustellen.
Der Steckerkontakt 71 und der Schraubenkontakt 72 sind elektrische Leiter. Die Abdeckung 66 ist eine Art von Schalung. Die Steckerkontakte 71 und die Schraubenkontakte 72 dienen zur Verbindung mit einer externen Stromquelle oder externen Last. Die Abdeckung 66 isoliert elektrische Schaltkreise in dem Leistungsmodul 65 vor der Umgebung des Leistungsmoduls 65. Die Beschichtung 67 stellt einen hohen Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung einer Kriechstrecke bereit, die auf der Beschichtung 67 angeordnet ist.
Das beispielhafte Modul von 6 zeigt eine Bereitstellung der Beschichtung 67 zwischen elektrischen Leitern, um den Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung einer zwischen den elektrischen Leitern befindlichen Kriechstrecke zu vergrößern.
7 zeigt einen Querschnitt eines sechsten beispielhaften Leistungsmoduls 75 ohne Basisplatte. Das Leistungsmodul 75 umfaßt ein Gehäuse 76, mehrere Substrate 77, 78 und 79 und mehrere Kontaktstifte 80, 81 und 82 und wird danach an einem Kühlkörper 84 angebracht. Das Gehäuse 76 wird über den Substraten 77, 78 und 78 angeordnet, und die Substrate 77, 78 und 79 befinden sich an dem Kühlkörper 84. Die mehreren Kontaktstifte 81, 81 und 82 erstrecken sich von den Substraten 77, 78 und 79.
Das Substrat 78 ist durch Schlitze 100 bzw. 101 von den angrenzenden Substraten 77 und 79 getrennt. Die Substrate 77 und 79 enthalten untere Oberflächen 86, 87 und 88 bzw. obere Oberflächen 90, 91 und 92. Zwischen den unteren Oberflächen 86, 87 und 88 und den Kühlkörper 84 ist eine thermisch leitfähige Paste eingebracht.
Auf den oberen Oberflächen 90, 91 bzw. 92 sind mehrere Halbleiterchips 94, 95 und 96 angeordnet. Die Halbleiterchips 94, 95 und 96 werden durch mehrere auf den oberen Oberflächen 90, 91 und 92 angeordnete Leiterbahnen an den Substraten 77, 78, 79 angebracht. Mehrere Bondleitungen 98 sind elektrisch zwischen dem Halbleiterchip 95 und angrenzenden Halbleiterchips 94 und 96 und zwischen den Halbleiterchips 94, 95 und 96 und den Leiterbahnen verbunden. Das Gehäuse 76 umfaßt eine Abdeckung 103 und mehrere Stempel 104 und 105. 7 zeigt das in bezüglich seiner Umgebung geschlossene Gehäuse 76, wobei sich die Stempel 104 und 105 unter der Abdeckung 103 befinden. Die Abdeckung 103 umschließt die Stempel 104 und 105, die Substrate 77, 78 und 79 und die Halbleiterchips 94, 95 und 96.
Die Abdeckung 103 umfaßt Zugangsregionen 107 und 108 auf ihrer oberen Oberfläche. Die Stempel 104 und 105 erstrecken sich zwischen der Abdeckung 103 und dem Kühlkörper 84 und befinden sich in Kontakt mit der Abdeckung 103 und dem Kühlkörper 84. Untere Teile der Stempel 104 und 105 werden in Schlitzen 100 und 101 platziert, die zwischen den Halbleiterchips 94 und 95 und zwischen den Halbleiterchips 95 und 96 vorgesehen sind. Die Kontaktstifte 80, 81 und 82 sind elektrisch leidend mit den auf den Substraten 77, 78 und 79 angeordneten Leiterbahnen verbunden. Die Kontaktstifte 80, 82 und 83 erstrecken sich von einem Innenraum des Gehäuses 76 bis zur Außenseite des Gehäuses 76. Auf der Abdeckung 103 wird eine Kriechstrecke zwischen den Kontaktstiften 80, 81 und 82 und dem Kühlkörper 84 gebildet.
Die Abdeckung 103 ist eine Art von Beschichtung. Die Halbleiterchips 94, 95 und 96 können Leistungshalbleiterchips sein. Das Leistungsmodul 75 ist gegenüber seiner Umgebung geschlossen. Die Abdeckung 103 und die Stempel 104 und 105 umfassen ein nachgiebiges Material, das elastisch und mit den Substraten 77, 78 und 79 mechanisch kompatibel ist. Die Abdeckung 103 umfaßt ein Abschirmungsmaterial mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung, während die Stempel 104 und 105 ein elektrisch isolierendes Material umfassen. Die Abdeckung 103 und die Stempel 104 und 105 können mittels Kunststoff-Spritzgußtechnik hergestellt werden. Die Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 80, 81 und 82 und dem Kühlkörper 84 werden auf der Abdeckung 103 gebildet. Die Bildung von Kriechstrecken auf der Abdeckung 103 ist vorteilhaft, da die Abdeckung 103 ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung umfaßt.
Die Zugangsregionen 107 und 108 dienen zum Einbringen von mechanischem Druck P wie in 7 gezeigt. Externe Clips oder Schraubenverbindungen können den mechanischen Druck P erzeugen, der dann über die Substrate 17, 18, 19 durch die Stempel 104 und 105 auf den Kühlkörper 84 übertragen wird. Die Halbleiterchips 94, 95 und 96 erzeugen beim Betrieb Wärme. Der Kühlkörper 84 führt die von den betriebsfähigen Halbleiterchips 94, 95 und 96 erzeugte Wärme ab. Der Druck P stellt einen guten thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 84 sicher.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines siebten neuartigen Leistungsmoduls 110. Das Leistungsmodul 110 befindet sich gegenüber seiner Umgebung – wie in 8 gezeigt – in einem zusammengebauten Zustand oder ist geschlossen. Das Leistungsmodul 110 umfaßt ein Gehäuse 111, ein Substrat 112 und mehrere Kontaktstifte 113, 114 und 115. Das Gehäuse 111 wird über dem Substrat 112 angeordnet, und das Substrat 112 wird danach an einen Kühlkörper 116 angebracht. Die Kontaktstifte 113, 114 und 115 sind auf dem Substrat 112 angeordnet.
Mehrere Halbleiterchips 120, 121 und 122 sind auf dem Substrat 112 angeordnet und elektrisch mit dem Substrat 112 verbunden. Die Halbleiterchips 120, 121 und 122 sind über mehrere Bondleitungen 123 mit mehreren Leiterbahnen verbunden, die auf einer Oberfläche des Substrats 112 ausgebildet sind. Das Gehäuse 111 wird aus einem äußeren Gehäuseteil 125 und einem inneren Gehäuseteil 126 gebildet, wobei der äußere Gehäuseteil 125 den inneren Gehäuseteil 126 umgreift.
Der innere Gehäuseteil 126 ist mit einem Kragen 127 ausgestattet, der sich auf einem äußeren Bereich des Substrats 112 in Bezug auf eine Mitte des Substrats 112 befindet. Der äußere Gehäuseteil 125 umfaßt mehrere Löcher 140 und mehrere nachgiebige Bereiche 130, 131, 132 und 133, die integral auf dem äußeren Gehäuseteil 125 gebildet werden. Die Löcher 140 befinden sich auf einem äußeren Teil des äußeren Gehäuseteils 125. Die nachgiebigen Bereiche 130, 131, 132 und 133 werden durch mehrere elastische Streifen 135 gebildet. Es sind andere Arten und Formen der nachgiebigen Bereiche 130, 131, 132 und 133 möglich. Die elastischen Streifen werden so angeordnet, daß sie mehrere Bahnen bilden. Die nachgiebigen Bereiche 131 und 132 werden über die elastischen Streifen 135 integral mit den vertikalen Stempeln 136 und 137 verbunden. Enden der Stempel 136 und 137 befinden sich in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Substrats 112 wie in 8 gezeigt. Die nachgiebigen Bereiche 130 und 134 werden durch den Kragen 127 mit dem äußeren Bereich des Substrats 112 verbunden.
Leiterbahnen (nicht gezeigt) werden elektrisch mit den Kontaktstiften 113, 114 und 115 verbunden, die sich von den Leiterbahnen zur Gehäuseaußenseite 111 erstrecken. Auf dem äußeren Gehäuseteil 125 werden Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 113, 114 und 115 und dem Kühlkörper 116 gebildet.
Der innere Gehäuseteil 126 wird aus einem Material hergestellt, das thermisch und mechanisch mit dem Substrat 112 kom patibel ist. Es ist nicht notwendig, daß der innere Gehäuseteil 126 und der äußere Gehäuseteil 125 zum Beispiel durch einen Kleber mechanisch verbunden werden. Sie können sich in loser Kontakt miteinander befinden. Eine Möglichkeit zur Bereitstellung eines inneren Gehäuseteils 126, der mit dem äußeren Gehäuseteil 125 verbunden ist, besteht darin, einen Teil in einem Vorgußzustand bereitzustellen und den anderen Teil direkt auf den Vorgußteil zu gießen, so dass es zu einer Bindung zwischen den beiden Teilen 125, 126 kommt.
Der äußere Gehäuseteil 125 ist eine Art einer Abdeckung. Der äußere Gehäuseteil 125 umfaßt ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 113, 114 und 115 und dem Kühlkörper 116 auf dem äußeren Gehäuseteil 125 gebildet werden, der hohen Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung aufweist.
Der äußere Gehäuseteil 125 wird auf den Kühlkörper 116 gepreßt, wenn das Leistungsmodul 110 an dem Kühlkörper 116 befestigt wird. Die Druckkraft kann von Anbringschrauben oder externen Clips kommen. Das Pressen bewirkt seinerseits, daß der Kragen 127 und die Stempel 136 und 137 das Substrat 112 auf den Kühlkörper 116 pressen.
Die Löcher 140 dienen zum Einfügen von Anbringschrauben zum Fixieren des Leistungsmoduls 110 an dem Kühlkörper 116. Die Kontaktstifte 113, 114 und 115 sind für externe Verbindungen des Leistungsmoduls 110 bestimmt. Die nachgiebigen Bereiche 130, 131, 132 und 133 können durch Bereitstellen von Materialausschnitten in einer Region der nachgiebigen Bereiche 130, 131, 132 und 133 wie in 8 gezeigt hergestellt werden.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines achten neuartigen Leistungsmoduls 145. Das Leistungsmodul 145, das in 9 ohne Basisplatte gezeigt ist, umfaßt ein Gehäuse 146, ein Substrat 147 und mehrere Kontaktstifte 149 und 150. Das Ge häuse 146 umschließt das Substrat 147, und das Substrat 147 wird an einen Kühlkörper 148 angebracht. Die Kontaktstifte 149 und 150 werden auf dem Substrat 147 angeordnet.
Ein Substrat 147 wird mit einer oberen Schicht 155 aus Kupfer und einer unteren Schicht 156 aus Kupfer beschichtet. Mehrere Halbleiterchips 158, 159 und 160 werden auf der oberen Schicht 155 angeordnet und durch Bondleitungen 162 mit Leiterbahnen 164 verbunden, die in der Beschichtung der oberen Schicht 155 gebildet werden. Die Halbleiterchips 158, 159 und 160 werden durch Schlitze oder Kontaktdruckstellen 166, 167, 168 und 169 getrennt, die an vordefinierten Substratstellen vorgesehen sind. Die untere Schicht 156 wird danach mit dem Kühlkörper 148 verbunden.
Wie in 9 gezeigt ist, ist das Gehäuse 146 gegenüber seiner Umgebung geschlossen und umschließt das Substrat 147 und die Halbleiterchips 158, 159 und 160. Das Gehäuse 146 umfaßt einen äußeren Gehäuseteil 172 und einen inneren Gehäuseteil 173. Der äußere Gehäuseteil 172 umschließt den inneren Gehäuseteil 173.
Der äußere Gehäuseteil 172 enthält laterale Flansche 175 an seinem äußeren Bereich. Die lateralen Flansche 175 umfassen Löcher 176. Auf dem äußeren Gehäuseteil 172 sind mehrere Stempel 178 integral dergestalt gebildet, daß erste Enden 184, 185, 186 und 187 der Stempel 178, 179, 180 bzw. 181 mit dem äußeren Gehäuseteil 172 verbunden werden. Zweite Enden 190, 191, 192 und 193 des Stempels 178, 179, 180 bzw. 181 befinden sich in Kontakt mit dem Substrat 147. Die ersten Enden 184, 185, 186 und 187 werden über nachgiebige Bereiche 195, 196, 197, 198, die einen verdünnten Materialteil oder Materialaussparungen aufweisen können, mit dem äußeren Gehäuseteil 172 verbunden. Eine Kraft F wird auf den äußeren Gehäuseteil 172 angewandt, um den äußeren Gehäuseteil 172 auf den Kühlkörper 148 zu pressen. Die Kraft F wird durch die Stempel 178, 179, 180 und 181 auf das Substrat 147 übertragen.
Der innere Gehäuseteil 173 ist fest mit der oberen Schicht 155 des Substrats 147 verbunden, um eine Umhüllung des Substrats 147 und der darauf angeordneten Komponenten zu bilden. Eine weiche Vergussmasse kann in die Umhüllung gefüllt werden, um die Halbleiterchips 158, 159 und 160, die Bondleitungen 162 und das Substrat 147 zu überdecken.
Die Kontaktstifte 149 und 150 werden mit den leitfähigen Bahnen 164 verbunden und erstrecken sich von dem Substrat 147 zu einem Äußeren des Gehäuses 712, 173. Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 149 und 150 und dem Kühlkörper 148 und zwischen den Kontaktstiften 149 und 150 werden auf dem äußeren Gehäuseteil 172 gebildet.
Der äußere Gehäuseteil 172 ist eine Form einer Abdeckung, während der innere Gehäuseteil 173 eine Form einer Wand ist. Der Kühlkörper 148 ist eine Form eines Kühlelements. Der laterale Flansch 175 ist eine Form eines Kragens. Die Stempel 178, 179, 180 und 181 sind eine Form eines Kontaktdruckelements. Die Stempel 178, 179, 180 und 181 können mit Federn versehen oder federelastisch ausgestaltet sein.
Der äußere Gehäuseteil 172 umfaßt ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. Dadurch zieht das Leistungsmodul 145 insofern Nutzen, als die Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 149 und 150 und dem Kühlkörper 148 und zwischen den Kontaktstiften 149 und 150 auf dem äußeren Gehäuseteil 172 verlaufen, der einen hohen Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung aufweist.
Der innere Gehäuseteil 173 schirmt die Umgebung des Leistungsmoduls 145 (und damit auch einen Benutzer) von dem im Betrieb befindlichen Leistungsmodul 145 ab und umfaßt ein Material, das mechanisch und chemisch mit dem Substrat 147 und den Halbleiterchips 158, 159 und 160 kompatibel ist. Die Löcher 176 dienen zur Schraub- oder externen Clipverbindung mit dem Kühlkörper 148. Die Stempel 178, 179, 180 und 181 pressen das Substrat 147 elastisch auf den Kühlkörper 148.
10 zeigt einen Querschnitt eines neunten neuartigen Leistungsmoduls 200. Das Leistungsmodul 200 umfaßt ein Gehäuse 201, mehrere Substrate 202 und 203, mehrere Kontaktstifte 204, 205, 206 und 207 und eine Basisplatte 208. Das Gehäuse 201 erstreckt sich über mehrere Substraten 202, während sich die mehreren Substrate 202 und 203 auf der Basisplatte 208 befinden. Die mehreren Kontaktstifte 204, 205, 206 und 207 erstrecken sich von den Substraten 202 und 203 zum Äußeren des Leistungsmoduls 200.
Das Substrat 202 wird durch eine Lücke 209 von dem angrenzenden Substrat 203 getrennt. Die Substrate 202 und 203 umfassen obere Oberflächen 210 und 211 und untere Oberflächen 212 bzw. 213. Die unteren Oberflächen 212 und 213 werden über einen thermisch leitfähigen Kleber an der Basisplatte 208 angebracht. Auf den oberen Oberflächen 210, 211 sind Halbleiterchips 215 und 216 vorgesehen. Die Halbleiterchips 215 und 216 werden mittels mehrerer Leiterbahnen 218, die auf den oberen Oberflächen 210 und 211 angeordnet sind, an den Substraten 202 und 203 angebracht. Zwischen den Halbleiterchips 215 und 216 und den Leiterbahnen 218 sind mehrere Bondleitungen 219 elektrisch angebracht.
10 zeigt das gegenüber seiner Umgebung geschlossene Gehäuse 201. Das Gehäuse 201 umfaßt eine Abdeckung 222 und mehrere Wände 224. Die Abdeckung 222 ist eine Schalung und umschließt die Wände 224, die Substrate 202 und 203 und die Halbleiterchips 215 und 216.
In Bezug auf die Basisplatte 208 untere Enden der Wände 224 sind mit der Basisplatte 208 verbunden und obere Enden der Wände 224 befinden sich in Kontakt mit der Abdeckung 222. Mehrere Wände 224, die sich zwischen einer Oberseite der Abdeckung 222 und der Basisplatte 208 befinden, bilden eine Um hüllung um das Substrat 201 und den Halbleiterchip 215, und eine weitere Umhüllung um das Substrat 202 und den Halbleiterchip 216.
Die mehreren Kontaktstifte 204, 205, 206 und 207 werden auf den Substraten 202 und 203 angeordnet und elektrisch an den Leiterbahnen 218 angebracht. Erste Enden der Kontaktstifte 204, 205, 206 und 207 werden an den Substraten 202 und 203 angebracht, und zweite Enden der Kontaktstifte 204, 205, 206 und 207 erstrecken sich zum Äußeren der Abdeckung 222. Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 204, 205, 206 und 207, sowie zwischen den Kontaktstiften 204, 205, 206 und 207 und dem Kühlkörper 208 werden auf der Abdeckung 222 gebildet. Die Umhüllungen werden durch eine einkapselnde und isolierende Vergussmasse 225 gefüllt, die die Halbleiterchips 215 und 216, die Substrate 202 und 203 und die Bondleitungen 219 überdeckt.
Die Abdeckung 222 ist eine Art Schutzbeschichtung. Das Leistungsmodul 200 ist in gegenüber seiner Umgebung geschlossen. Die Wände 224 umfassen Materialien, die elastisch und thermisch isolierend und mechanisch mit der Basisplatte 208 und den Substraten 202 und 203 kompatibel sind. Die Abdeckung 222 umfaßt ein Abschirmmaterial mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. Die Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 204, 205, 206 und 207 und dem Kühlkörper 208 und zwischen den Kontaktstiften 204, 205, 206 und 207 werden auf der Abdeckung 222 gebildet. Die Bildung von Kriechstrecken auf der Abdeckung 222 ist insofern vorteilhaft, als die Abdeckung 222 ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung umfaßt.
Auf die Abdeckung 222 können externe Clips aufgebracht werden, um die Abdeckung 222 auf die Basisplatte 208 zu pressen. Die Halbleiterchips 215 und 216 erzeugen beim Betrieb Wärme. Die Basisplatte 208 führt die von den betriebenen Halbleiterchips 215 und 216 erzeugte Wärme zu einem (in 10 nicht gezeigten) Kühlkörper ab.
Die Schichten 220, 221 werden an der Abdeckung 222 angebracht. Die Schichten 220, 221 sind gegenüber den umgebenden Materialien chemisch inert. Chemisch inert bedeutet unter anderem, dass keine chemische Wechselwirkung zwischen der Schicht und dem Umgebungsmaterial besteht. Es versteht sich, dass eine chemische Wechselwirkung eine Bewegung von Ionen aus der Schicht in die Umgebung des Umgebungsmaterials oder auf die Oberfläche des Umgebungsmaterials einschließt. Die Schicht 220 wird an einer inneren Oberfläche der Abdeckung 222 angebracht und ist gegenüber der sich in der Abdeckung 222 befindenden isolierenden Vergussmasse 225 chemisch inert. Die Schicht 220 ist möglicherweise nicht nur chemisch inert gegenüber Umgebungsmaterialien, sondern kann chemisch inert gegenüber Umgebungsmaterialien und elektrisch leitfähig sein.
11 zeigt einen Querschnitt eines zehnten beispielhaften Leistungshalbleitermoduls 230. Das Leistungsmodul 230 umfaßt ein Gehäuse 231, Substrate 232 und 233, Kontaktstifte 234, 235, 236 und 237 und eine Basisplatte 238. Das Gehäuse 231 wird über den Substraten 232 und 233 angeordnet, und die Substrate 232 und 233 befinden sich auf der Basisplatte 238. Die Kontaktstifte 234, 235, 236 und 237 werden auf den Substraten 232 und 233 angeordnet.
Das Substrat 232 ist durch einen Zwischenraum 240 von dem angrenzenden Substrat 233 getrennt. Die Substrate 232 und 233 enthalten obere Oberflächen 241 und 242 und untere Oberflächen 243 und 244. Die unteren Oberflächen 243 und 244 werden über ein Lot oder einen thermisch leitfähigen Kleber mit der Basisplatte 238 verbunden. Die oberen Oberflächen 241, 242 werden durch mehrere Leiterbahnen 250, die auf den oberen Oberflächen 241 und 242 der Substrate 232 und 233 angeordnet sind, mit den Halbleiterchips 246 und 247 verbunden. Mehrere Bondleitungen 251 verbinden die Halbleiterchips 246 und 247 elektrisch mit den Leiterbahnen 250.
Das Gehäuse 231 ist gegenüber seiner Umgebung geschlossen. Das Gehäuse 231 enthält eine Abdeckung 252 und mehrere Wände 253. Die Abdeckung 252 umgibt die Wände 253, die Substrate 232 und 233 und die Halbleiterchips 246 und 247.
Untere Enden der Wände 253 sind mit der Basisplatte 238 verbunden und obere Enden der Wände 253 sind von der Abdeckung 252 getrennt. Die Wände 253 sind mit der Basisplatte 238 verbunden, um eine erste Umhüllung um das Substrat 232 und den Halbleiterchip 246 und eine zweite Umhüllung um das Substrat 232 und den Halbleiterchip 247 zu bilden.
Die Kontaktstifte 234, 235, 236 und 237 werden auf den Substraten 232 und 233 angeordnet und elektrisch an den Leiterbahnen 250 angebracht. Erste Enden der Kontaktstifte 234, 235, 236 und 237 werden an die Substrate 232 und 233 angebracht, und zweite Enden der Kontaktstifte 234, 235, 236 und 237 stehen durch die Abdeckung 252 zu dem Äußeren des Leistungsmoduls 230 hervor. Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 234, 235, 236 und 237 sowie zwischen den Kontaktstiften 234, 235, 236 und 237 und der Basisplatte 238 werden auf der Abdeckung 252 gebildet.
In die Umhüllung kann eine Vergussmasse 254 gefüllt werden, die die Halbleiterchips 246 und 247, die Substrate 232 und 233 und die Bondleitungen 251 überdeckt.
Die Abdeckung 252 ist eine Art Schutzbeschichtung. Das Leistungsmodul 230 ist gegenüber seiner Umgebung geschlossen. Die Wände 253 umfassen Materialien, die thermisch isolierend und mechanisch mit der Basisplatte 238, der Vergussmasse 254 und dem Substrat 232 kompatibel sind. Die Abdeckung 252 umfaßt ein Abschirmmaterial mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung. Die Kriechstrecken zwischen den Kontaktstiften 234, 235, 236 und 237 und der Basisplatte 238 und zwischen den Kontaktstiften 234, 235, 236 und 237 werden auf der Abdeckung 252 gebildet. Die Bildung von Kriechstrecken auf der Abdeckung 252 ist insofern vorteilhaft, als die Abdeckung 252 ein Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung umfaßt.
12 zeigt einen Querschnitt eines elften beispielhaften Leistungsmoduls 260. Das Leistungsmodul 260 umfaßt ein Gehäuse 265, Substrate 232 und 233, Halbleiteranordnungen 248, Kontaktstifte 268 und einen Kühlkörper 238. Der Kühlkörper 238 kann eine Basisplatte sein. Die Substrate 232, 233 können DCB-Substrat (Direct Copper Bonding), ein AMB-Substrat (Active Metal Brazing), ein DAB-Substrat (Direct Aluminum Bonding) oder ein Substrat des regulären Brazing-Typs sein. Die Substrate 232 und 233 befinden sich auf dem Kühlkörper 238, die Halbleiteranordnungen 248 werden auf den Substraten 232 und 233 angeordnet und kontaktieren diese, und das Gehäuse 231 wird über den Substraten 232, 233 und Halbleiteranordnungen 246 angeordnet. Die Kontaktstifte 268, die Hauptkontakte oder Hilfskontakte sein können, werden auf dem Substrat 232 angeordnet und kontaktieren dieses und stehen durch das Gehäuse 265 zu dem Äußeren des Leistungsmoduls 260 vor.
Das Gehäuse 265 umfaßt eine Abdeckung 261 und eine Schalung. Die Schalung besteht aus mehreren Wänden 262. Die Abdeckung 261, die gegossen werden kann, umgibt die Wände 262, die Substrate 232 und 233 und die Halbleiteranordnungen 248 und kapselt das Leistungsmodul 260 ein. Die mehreren Wände 262 bilden einen Rahmen 266, der an den Seiten der Wände 262, die dem Kühlkörper 238 zugewandt sind, mit dem Kühlkörper 238 verbunden ist. Der Rahmen 266 kann durch Metallisierung der Seiten der Wände 262, die dem Kühlkörper 238 zugewandt sind, und Löten des Rahmens 266 an den Kühlkörper 238 mit dem Kühlkörper 238 verbunden sind. Das Löten des Rahmens 266 kann gleichzeitig mit dem Löten der Substrate 232, 233 auf den Kühlkörper 238 erfolgen. Somit kann der Rahmen 266 als Lötform für die Substrate 232, 233 dienen.
Der Rahmen 266 bildet eine Umhüllung, die die Substrate 232, 233 umgibt. Die Umhüllung wird mit einer isolierenden Vergussmasse 254 gefüllt, die die Substrate 232, 233 und die Halbleiteranordnungen 248 überdeckt. Die Vergussmasse 248 kann ein Harz oder ein Silikongel sein. Der Rahmen 266 ist durch eine Lücke 264 physisch von der Abdeckung 261 getrennt. Nur der Rahmen 266 ist mit der Vergussmasse 254 gefüllt, in der Lücke 264 ist jedoch keine Vergussmasse 254 vorgesehen.
Während die Abdeckung 261 aus einem Material mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung gebildet werden kann oder Teile mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung enthalten kann, besteht der Rahmen 266 aus einem isolierenden Material. Das isolierende Material für den Rahmen 266 kann eine Keramik umfassen, die in Bezug auf die Vergussmasse 254 und die auf den Substraten 232 und 233 angebrachten und durch den Rahmen 266 umgebenen Halbleiteranordnungen 248 chemisch inert ist.
Die Vergussmasse 254 befindet sich nur in dem Rahmen 266 und weist keinen Kontakt mit der Abdeckung 261 auf. Die Trennung der Vergussmasse von der Abdeckung 261 wird durch den Rahmen 266 und die Lücke 264 sichergestellt. Schädliche Wechselwirkungen zwischen der Abdeckung 261 und der Vergussmasse 254 werden somit vermieden.
13 zeigt das Leistungsmodul 260 in einer Draufsicht. Mehrere Substrate 232, 233 werden durch den Rahmen 266 umschlossen. Der Rahmen 266 ist flüchtig mit den äußeren Rändern der Substrate 232, 233. Der Rahmen 266 ist in 13 in einer rechteckigen Form gezeigt. Abhängig von der Form des mindestens einen Substrats 232, 233 und der Form der Abdeckung 261 sind andere Formen des Rahmens 266 möglich. Der Rahmen 266 besitzt Flansche 263 entlang der Wände 262, die sich in den Raum zwischen den Substraten 232, 233 erstrecken. Die Flansche 263 positionieren die Substrate 232, 233, und der Rahmen 266 kann während des Lötens der Substrate als Po sitionierungselement verwendet werden.
In den obenerwähnten Beispielen wird die minimale Dicke der äußeren isolierenden Schicht eines Modulgehäuses mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung durch ein gegebenes Herstellungsverfahren begrenzt. Ein typisches Verhältnis der Dicke der inneren Isolationsschicht eines Modulgehäuses zu der Dicke der äußeren Isolationsschicht eines Modulgehäuses kann im Bereich von 10:1 bis 50:1 liegen. Die Dicke der äußeren Schicht mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung kann durch Bereitstellen von Rippen oder Rillen auf ihrer Oberfläche vergrößert werden. Das Verhältnis der Dicke der inneren Schicht zu der äußeren Schicht kann dann im Bereich von 1:1 bis 50:1 liegen.
Das Bereitstellen der äußeren Isolationsschicht mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung kann auch wie oben erläutert mittels eines Lackierungsprozesses erfolgen. Aus der Herstellung von Leiterplatten sind Lacke bekannt, die einen hohen Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung besitzen. Diese Lacke können in den oben erwähnten Beispielen aufgebracht werden. Solche Beschichtungen mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung können an einem Gehäuse nach der Herstellung des Gehäuses vorgesehen werden. Das Verhältnis der Schichtdicke zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht eines Modulgehäuses beträgt dann zwischen 1000:1 bis 10:1.
In einem weiteren Beispiel wird der Gehäusekörper mit dem gewünschten Isolationsmaterial mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung als selbständige Schicht produziert und danach von innen aus beschichtet, um mechanische und thermische Kompatibilität mit den verwendeten Materialien und mit Halbleiterkomponenten zu gewährleisten. Das Verhältnis der Dicke der inneren Isolationsschicht zu der äußeren Isolationsschicht mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung liegt dann zwischen 1:10 und 1:1000.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, ist für Fachleute ersichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die bestimmte der Vorteile der Erfindung erreichen, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Grundsätzlich können Komponenten durch andere Komponenten ersetzt werden, die dieselben Funktionen erfüllen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- IEC 60664 [0003]

Claims

Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse folgendes umfaßt: eine Schalung und mindestens eine Beschichtung mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung; und mehrere an dem Gehäuse vorgesehene elektrische Leiter, wobei die Beschichtung auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung die Schalung nur teilweise überdeckt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich die Beschichtung in Kontakt mit einer externen Oberfläche der Schalung befindet oder mit dieser verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die Beschichtung in Kontakt mit einer internen Oberfläche der Schalung befindet oder mit dieser verbunden ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Schicht an der Schalung angebracht ist, und bei dem die Schicht in Bezug auf Umgebungsmaterialien chemisch inert ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, bei dem die Schicht an einer internen Oberfläche der Schalung angebracht ist, und bei dem die Schicht in Bezug auf eine sich in der Schalung befindende isolierende Vergussmasse chemisch inert ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung und die Schalung physisch getrennte Teile sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die elektrischen Leiter - einen oder mehrere Kühlkörper; und/oder - einen oder mehrere elektrische Anschlüsse; und/oder - einen oder mehrere Haupthochspannungskontakte; und/oder - einen oder mehrere Hilfskontakte umfassen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Modul eine Basisplatte umfaßt, das Gehäuse an einer ersten Oberfläche der Basisplatte angebracht ist, mindestens ein Substrat an der ersten Oberfläche der Basisplatte angebracht und in dem Gehäuse positioniert ist, und mindestens einen Halbleiterchip auf dem Substrat angebracht ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfaßt, wobei sich die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche befindet.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, bei dem die Beschichtung Vorsprünge auf der ersten Oberfläche der Beschichtung aufweist, und bei dem die erste Oberfläche der Beschichtung auf der Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern vorgesehen ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10 oder 11, bei dem sich die zweite Oberfläche der Beschichtung in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der Schalung befindet, und bei dem die zweite Oberfläche der Beschichtung mehrere erste Rillen umfaßt, die mit mehreren zweiten Ril len der äußeren Oberfläche der Schalung verzahnt sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung eine Kunststoff-Spritzgußschicht umfaßt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalung mehrere mit einer Basisplatte oder einem Kühlkörper verbundene Wände umfaßt und die mehreren Wände einen Rahmen bilden, die mindestens ein auf der Basisplatte oder einem Kühlkörper angeordnetes Substrat umgibt, wobei der Rahmen mindestens einen Flansch aufweist, der sich in einen Zwischenraum zwischen Substraten erstreckt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalung mehrere mit einer Basisplatte oder einem Kühlkörper verbundene Wände umfaßt und die mehreren Wände einen Rahmen bilden, die mindestens ein auf der Basisplatte oder einem Kühlkörper angeordnetes Substrat umgibt, wobei der Rahmen aus einem isolierenden Material hergestellt wird, das eine Keramik umfaßt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalung mehrere mit einer Basisplatte oder einem Kühlkörper verbundene Wände umfaßt und die mehreren Wände einen Rahmen bilden, die mindestens ein auf der Basisplatte oder einem Kühlkörper angeordnetes Substrat umgibt, wobei der Rahmen eine mit einer isolierenden Vergussmasse gefüllte Umhüllung bildet und die isolierende Vergussmasse ein Silikongel umfaßt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schalung mehrere mit einer Basisplatte oder einem Kühlkörper verbundene Wände umfaßt und die mehreren Wände einen Rahmen bilden, der mindestens ein auf der Basisplatte oder einem Kühlkörper angeordnetes Substrat umgibt, wobei der Rahmen eine mit einer isolierenden Vergussmasse gefüllte Umhüllung bildet und das isolierende Material für den Rahmen in Bezug auf die isolierende Vergussmasse und einen auf dem Substrat angebrachten und durch den Rahmen umgebenen Halbleiterchip chemisch inert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses; Bereitstellen mehrerer elektrischer Leiter an dem Gehäuse; Bereitstellen mindestens einer Beschichtung mit hohem Widerstand gegenüber Oberflächenkriechwegbildung auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die mindestens eine Beschichtung bereitgestellt wird, bevor die elektrischen Leiter an dem Gehäuse bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die mindestens einen Beschichtung bereitgestellt wird, nachdem die elektrischen Leiter an dem Gehäuse bereitgestellt werden.
Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleitermoduls, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses; Bereitstellen mehrerer elektrischer Leiter an dem Gehäuse; und teilweises Überdecken des Gehäuses mit einer Beschichtung, die gegenüber Oberflächenkriechwegbildung auf einer Kriechstrecke zwischen den elektrischen Leitern suszeptibel ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das teilweise Über decken des Gehäuses mit der Beschichtung erfolgt, bevor die elektrischen Leiter an dem Gehäuse bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das teilweise Überdecken des Gehäuses mit der Beschichtung erfolgt, nachdem die elektrischen Leiter an dem Gehäuse bereitgestellt werden.