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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul
mit einer verbesserten Isolationsfestigkeit sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber
hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende
Teile. Es zeigen:
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1 eine
Teilquerschnittsansicht eines ersten neuartigen Leistungsmoduls;
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2 eine
Teilquerschnittsansicht eines zweiten neuartigen Leistungsmoduls;
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3 eine
Teilquerschnittsansicht eines dritten neuartigen Leistungsmoduls;
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4 eine
Teilqschnittsansicht eines vierten neuartigen Leistungsmoduls;
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5 eine
Draufsicht auf das in 4 gezeigte Leistungsmodul;
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6 eine
isometrische Ansicht eines fünften neuartigen Leistungsmoduls;
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7 eine
Querschnittsansicht eines sechsten neuartigen Leistungsmoduls;
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8 eine
Querschnittsansicht eines siebten neuartigen Leistungsmoduls;
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9 eine
Querschnittsansicht eines achten neuartigen Leistungsmoduls;
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10 eine
Querschnittsansicht eines neunten neuartigen Leistungsmoduls;
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11 eine
Querschnittsansicht eines zehnten neuartigen Leistungsmoduls;
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12 eine
Querschnittsansicht eines elften neuartigen Leistungsmoduls; und
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13 eine
Draufsicht auf das in 12 gezeigte Leis tungsmodul.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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