DE102010038727A1

DE102010038727A1 - Leistungshaltleitermodul, Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls und eines Gehäuseelements für ein Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102010038727A1
Application number: DE201010038727
Authority: DE
Inventors: Olaf Kirsch; Thilo Stolze; Andre Roehrig; Dr. Kanschat Peter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-31
Also published as: CN102347295A; CN102347295B; DE102010038727B4; US20120025393A1; US8598697B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule mit einem Gehäuseelement (40), in das Anschlusslaschen (3) eingesteckt sind. Die Anschlusslaschen (3) weisen Fußbereiche (31) auf, auf deren Oberseiten 31t Bondverbindungen herstellt werden sollen. Um die Fußbereiche (31) zu fixieren, sind Anpresselemente (42) vorgesehen, die gegen das Ende (35) der Anschlusslasche (3) pressen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Leistungshalbleitermodulen. Leistungshalbleitermodule weisen zum elektrischen Anschluss modulexterner Komponenten elektrische Anschlusskontakte auf, die von der Außenseite des Moduls her zugänglich sind und die elektrisch leitend mit einem oder mehreren im Modulinneren angeordneten Leistungshalbleiterchips oder anderen Bauteilen verbunden sind. Die elektrische Verbindung wird dabei durch niederohmige elektrische Leiter realisiert, die im Weiteren als Anschlusslaschen bezeichnet werden.
Dabei besteht das Erfordernis, dass solche Anschlusslaschen auf möglichst einfache Weise mit dem Gehäuse verbunden werden können, und dass dabei eine Verbindung entsteht, die so stabil ist, dass eine Kraft, die auf den außerhalb des Gehäuses befindlichen Teil der Anschlusslasche wirkt, nicht in unzulässiger Weise auf andere, insbesondere modulinterne Komponenten übertragen wird.
Neben einer stabilen Fixierung muss außerdem gewährleistet sein, dass die Anschlusslaschen eine definierte Position in dem Gehäuse einnehmen, wenn die Anschlusslaschen modulintern mittels Bonddrähten an Elektronische Komponenten des Moduls angeschlossen werden, damit eine hohe, reproduzierbare Bondqualität bei der Herstellung einer Bondverbindung zwischen einem Bonddraht und einer Anschlusslasche sichergestellt werden kann. Besonders hoch sind diese Anforderungen bei dicken kupfer-basierten Bonddrähten mit Durchmessern von 300 μm und mehr, da kupfer-basierte Bonddrähte wesentlich härter sind als die üblicher Weise verwendeten aluminium-basierten Bonddrähte, so dass der Bondprozess wesentlich höhere Kräfte erfordert, mit denen der Bonddraht während des Bondvorgangs gegen die Anschlusslasche gepresst wird.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt betrifft beispielsweise die Montage eines Moduldeckels auf einem mit den Anschlusslaschen vorbestückten Gehäuserahmen, sowie die Montage des fertigen Moduls auf einer Leiterplatte. Diese Schritte erfordern ein hohes Maß an Form- und Lagestabilität sowie eine hohe Positionsgenauigkeit der an den Anschlusslaschen ausgebildeten Anschlusskontakten. Wenn diese beispielsweise als Stecker ausgebildet sind, kann es bei einer unpräzisen Positionierung und Ausrichtung zu Verkantungen kommen, oder dazu, dass die Stecker nicht durch korrespondierende Bohrungen in der Leiterplatte gefädelt werden können. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, wird heute ein großer mechanischer Aufwand getrieben, um die Stecker während der Montage im Rahmen zu verkeilen. Das führt dazu, das die Position und Lage der Stecker im Rahmen variieren kann. Daher ist es durchaus üblich, die Stecker im Gehäuserahmen nachzurichten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, bei dem eine oder mehrere Anschlusslaschen so fest mit einem Gehäuseelement für ein Leistungshalbleitermodul verbunden sind, dass auch ein kupferbasierter Bonddraht zuverlässig an die Anschlusslasche gebondet werden kann, und dass ein nachträgliches Ausrichten der an den Anschlusslaschen ausgebildeten modulexternen Kontakte entfallen kann. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein Verfahren zur Montage einer Anschlusslasche in einem Gehäuseelement für ein Leistungshalbleitermodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Anschlusslasche bereitzustellen, bei dem eine oder mehrere Anschlusslaschen so fest mit einem Gehäuseelement für ein Leistungshalbleitermodul verbunden werden, dass auch ein kupferbasierter Bonddraht zuverlässig an die Anschlusslasche gebondet werden kann.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß Patentanspruch 1, durch ein Verfahren zur Montage einer Anschlusslasche in einem Gehäuseelement für ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 8 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Anschlusslasche gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das nachfolgend beschriebene Leistungshalbleitermodul weist ein Gehäuseelement mit einem Einschubkanal auf, sowie eine in den Einschubkanal eingeschobene, elektrisch leitende Anschlusslasche.
Die Anschlusslasche umfasst einen länglichen Schaft und einen Fußbereich, der sich bis zu einem ersten, dem Modulinneren zugewandten ersten Ende der Anschlusslasche erstreckt. Der Fußbereich, der eine Unterseite und eine der Unterseite abgewandte Oberseite besitzt, ist um einen vorgegebenen Biegewinkel gegenüber dem Schaft umgebogen.
Weiterhin weist das Gehäuseelement zumindest ein der Anschlusslasche zugeordnetes Anpresselement auf, wobei der Fußbereich dadurch in dem Gehäuseelement eingespannt ist, dass jedes Anpresselement eine Anpresskraft auf das erste Ende der Anschlusslasche ausübt. Beispielsweise kann die Anpresskraft zwischen dem Anpresselement und dem ersten Ende der Anschlusslasche im Bereich von 1 N bis 120 N (Newton) liegen.
Zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls werden das Gehäuseelement und die Anschlusslasche bereitgestellt, wobei der Fußbereich der Anschlusslasche gegenüber deren Schaft um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel von mehr als 0° umgebogen ist. Der anfängliche Biegewinkel kann beispielsweise mehr als 60° und/oder weniger als 80° betragen. Das Gehäuseelement weist einen Einschubkanal auf, in die die Anschlusslasche in einer Einschieberichtung mit dem Fußbereich voran so weit eingeschoben wird, bis die Unterseite des Fußbereichs an dem Gehäuseelement anliegt. Durch weiteres Einschieben der Anschlusslasche in den Einschubkanal wird der Fußbereich gegenüber dem Schaft unter Vergrößerung des Biegewinkels umgebogen, bis der Biegewinkel einen vorgegebenen Endwert erreicht hat.
Das auf diese Weise mit einer Anschlusslasche vorbestückte Gehäuseelement kann zu einem Leistungshalbleitermodul weiterverarbeitet werden. Hierzu werden ein Bonddraht bereitgestellt, sowie ein mit einem Leistungshalbleiterchip bestückter Schaltungsträger, der eine mit einer oberen Metallisierung versehene, isolierende Keramikschicht umfasst, auf der ein Leistungshalbleiterchip angeordnet ist. Der Bonddraht wird zum Einen an die Oberseite des Fußbereichs gebondet, zum Anderen an eine obere Metallisierung und/oder an die der oberen Metallisierung abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer noch nicht in ein Gehäuseelement eingesetzten Anschlusslasche mit einem Fußbereich, der gegenüber einem Schaft um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel umgebogen ist;
2 eine perspektivische Schnittansicht durch einen Abschnitt eines Gehäuserahmens für ein Leistungshalbleitermodul, in der zwei gemäß 1 ausgebildete Anschlusslaschen eingesetzt wurden;
3A bis 3C verschiedene Schritte beim Einsetzen einer Anschlusslasche gemäß 1 in einen Gehäuserahmen zur Herstellung einer Anordnung gemäß 2;
3D einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß 3C;
4 eine Phase eines alternativen Verfahrens, bei dem das Verdrängen des Materials eines Anschlagelementes beginnt, bevor die Unterseite des Fußbereichs das Gehäuseelement kontaktiert;
5 einen Vertikalschnitt durch ein bodenplattenloses Leistungshalbleitermodul mit einem mit Anschlusslaschen bestückten Gehäuserahmen, wobei die aus dem Modulgehäuse herausragenden Enden der Anschlusslaschen in eine Steuerungsplatine eingepresst sind;
6 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit Bodenplatte mit einem mit Anschlusslaschen bestückten Gehäuserahmen, wobei die aus dem Modulgehäuse herausragenden Enden der Anschlusslaschen in eine Steuerungsplatine eingepresst sind;
7 eine Draufsicht auf ein Gehäuseelement eines Leistungshalbleitermoduls, in das zwei Anschlusslaschen eingesetzt sind;
8 eine Ausgestaltung einer Anschlusslasche, bei der das erste Ende mit Fortsätzen versehen ist;
9 eine Anordnung mit zwei vollständig in ein Gehäuseelement eingeschobenen, gemäß 8 ausgebildeten Anschlusslaschen;
10A bis 10C Verschiedene Ansichten einer anderen Anschlusslasche, deren Fußbereich um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel gegenüber dem Schaft umgebogen ist;
11A die in 10A gezeigte Anschlusslasche mit einem Stempel zum Einpressen der Anschlusslasche in einen Einschubkanal mit Hilfe eines Gehäuseelements für ein Leitungshalbleitermodul; und
11B eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 10A mit Blick auf das Ende des Fußbereichs.
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die begleiteten Zeichnungen, welche einen Teil der Beschreibung bilden, und in denen anhand konkreter Ausgestaltungen erläutert wird, auf welche Weise die Erfindung realisiert werden kann. Diesbezügliche Richtungsangaben wie z. B. ”oben”, ”unten”, ”vorne”, ”hinten”, ”vordere”, ”hintere” etc. wird in Bezug auf die Ausrichtung der erläuterten Figuren verwendet. Da die Elemente in den Ausgestaltungen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden können, dient die richtungsgebundene Terminologie lediglich zur anschaulichen Erläuterung und ist in keiner Weise als beschränkend zu verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch andere Ausgestaltungen umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anders erwähnt ist, oder sofern nicht die Kombination bestimmter Merkmale aus technischen Gründen unmöglich ist.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anschlusslasche 3, wie sie beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls eingesetzt werden kann. Die Anschlusslasche 3 umfasst einen länglichen Schaft 30, der sich in einer Längsrichtung z erstreckt. Die Anschlusslasche 3 weist ein erstes Ende 35 und ein zweites Ende 36 auf. Zwischen dem ersten Ende 35 und dem Schaft 30 ist ein Fußbereich 31 angeordnet, der gegenüber dem Schaft 30 um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel 90 umgebogen ist. Der Fußbereich 31 besitzt eine Unterseite 31b, sowie eine der Unterseite 31b abgewandte Oberseite 31t. Die Oberseite 31t ist als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet und eignet sich dadurch zum Aufbonden eines oder mehrerer Bonddrähte. Der vorgegebene anfängliche Biegewinkel 90 ist größer als 0°, beispielsweise größer oder gleich 60° und/oder kleiner oder gleich 80°.
Zwischen dem Schaft 30 und einem zweiten Ende 32 der Anschlusslasche 3 befindet sich eine elektrische Kontaktstelle 32, die dazu dient, ein Leistungshalbleitermodul, bei dem die Anschlusslasche 3 verwendet wird, nach Außen hin elektrisch zu kontaktieren. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Anschlusskontakt 32 beispielhaft als Einpresskontakt (”Press-Fit-Kontakt”) ausgebildet. Der Einpresskontakt 32 ist gegabelt und weist zwei Arme auf, die zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit einer modulexternen Komponente in eine elektrische Kontaktöffnung der Komponente eingeführt und dadurch mit dieser elektrisch leitend verbunden werden kann. Bei anderen Ausgestaltungen einer Anschlusslasche 3 kann der Anschlusskontakt 32 beliebige andere Ausgestaltungen aufweisen. Lediglich beispielhaft seien Lötkontakte, Schraubkontakte oder Federkontakte genannt. Die Ausgestaltung des Anschlusskontaktes 32 kann unabhängig von der Ausgestaltung des Schafts 30 und des Fußbereichs 31 gewählt werden.
Weiterhin kann der Schaft 30 der Anschlusslasche 3 optional mit einer oder mehreren Rastnasen 37 versehen sein, die beispielsweise mittels eines Prägestempels erzeugt werden können, der auf die den Rastnasen 37 abgewandte Rückseite des Schaftes 30 einwirkt, so dass es auf der Vorderseite des Schaftes 30 zu Materialausstellungen kommt, welche die Rastnasen 37 bilden. Solche Rastnasen 37 dienen dazu, die Anschlusslasche 3, wenn diese in ein Gehäuseelement eingesetzt wird, mit dem Gehäuseelement zu verkrallen.
Die Anschlusslasche 3 ist aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil, gebildet, um die elektrischen Verluste gering zu halten, wenn die Anschlusslasche 3 bestromt wird.
Eine Anschlusslasche 3 kann wie gezeigt einstückig ausgebildet sein, oder alternativ aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Teilen bestehen.
Eine Anschlusslasche 3 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass zunächst aus einem flachen Blech ein Stanzteil ausgestanzt wird, das zu einer Anschlusslasche weiterverarbeitet wird. Hierzu wird der spätere Fußbereich 31 bezüglich des späteren Schaftes 30 um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel φ0 umgebogen. Sofern eine oder mehrere Rastnasen 37 vorgesehen sind, werden diese wie erläutert mittels eines Prägestempels erzeugt. Weitere Herstellungsschritte, wie beispielsweise das Aufbringen einer galvanischen Beschichtung zur Verbesserung der Bondbarkeit und/oder zur Verbesserung der Lötbarkeit, das Abrunden oder Anfasen von Kanten, das Bohren oder Stanzen einer Anschrauböffnung oder das Einschneiden eines Anschlussgewindes können ebenfalls an der noch nicht in ein Gehäuseelement engesetzten Anschlusslasche 3 vorgenommen werden.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Gehäuseelements 40, das elektrisch isolierend sein kann. Bei dem Gehäuseelement 40 kann es sich beispielsweise um Spritzgießteil handeln. In das Gehäuseelement 40 wurden zwei Anschlusslaschen 3 eingesetzt. Hierzu wurden die jeweils gemäß 1 ausgebildeten Anschlusslaschen mit dem Fußbereich 31 in jeweils ein an dem Gehäuseelement 40 ausgebildeter Einschubkanal 45 eingeschoben, bis die Unterseite 31b des Fußbereichs 31 an dem Gehäuseelement 40 anliegt. Danach wurden die Anschlusslaschen 3 in der ursprünglichen Einschiebrichtung z, die identisch ist mit der Längsrichtung z des Schaftes, weiter in die jeweiligen Einschubkanäle 45 eingeschoben, so dass der Fußbereich 31 gegenüber dem Schaft 30 unter Vergrößerung des Biegewinkels umgebogen wurde, bis der Biegewinkel einen vorgegebenen Endwert von etwa 90° erreicht hat.
Während des weiteren Einschiebens der Anschlusslasche 3 in den jeweiligen Einschubkanal 45 werden die ersten Enden 35 der Anschlusslaschen 3, welche gleichzeitig die Enden der Fußbereiche 31 darstellen, gegen Anpresselemente 42 gepresst, die als Vorsprünge an einem gemeinsamen Steg 43, oder alternativ als Vorsprünge an jeweils einem separaten Steg des Gehäuseelements 40 ausgebildet sind. Dabei werden die Anpresselemente 42 während des Einpressvorgangs verformt. Hierdurch wird die Anschlusslasche 3 zwischen den Anpresselementen 42 und einer dem Modulinneren zugewandten Seite 47 der Gehäusewand 46 verspannt, so dass die Fußbereiche 31 eine wohl definierte Position einnehmen und für einen späteren Bondvorgang ausreichend fixiert sind.
Soweit die Anschlusselemente 3 mit optionalen Rastnasen 37 versehen sind, verkrallen sich diese Rastnasen 37 während des Einschiebvorgangs mit dem Material des Gehäuseelements 40 und werden dadurch in dem Gehäuseelement 40 stabilisiert.
Unterhalb der Unterseiten 31b der Fußbereiche 31 weist das Gehäuseelement 40 eine Vertiefung 41 auf, deren Bedeutung später beschrieben wird.
Die Anpresselemente 42 können beispielsweise als Nasen oder Vorsprünge auf der den Schäften 30 zugewandten Seite des gemeinsamen Steges 43 ausgebildet sein. Die Positionen und die Breiten der Anpresselemente 42 sind so gewählt, dass die Enden 35 der Anschlusslaschen 3 das Gehäuseelement 40 nur abschnittweise aber nicht über die gesamte Fläche des Endes 35 kontaktieren.
Anhand der 3A bis 3C werden nachfolgend die verschiedenen Phasen beim Einschieben einer Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal erläutert. 3A zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Gehäuseelements 40 mit einem Einschubkanal 45, in den eine Anschlusslasche 3 mit Hilfe eines Stempels 50 eingeschoben wird. Hierzu drückt der Stempel 50 auf die Oberseite 31t des Fußbereichs 31. Die erste Phase des Einschiebens endet zu dem Zeitpunkt, zu dem die Unterseite 31b des Fußbereichs 31 das Gehäuseelement 40 berührt. Diese Situation ist in 3A dargestellt. In dieser Phase ist der Fußbereich 31 noch um den anfänglichen Biegewinkel φ0 umgebogen. Der Abstand in der Richtung y zwischen dem ersten Ende 35 und dem Anpresselement 42 kann in dieser Phase beispielsweise 0,2 mm bis 1,0 mm betragen.
Um zu vermeiden, dass die zwischen der Unterseite 31b und dem ersten Ende 35 ausgebildete Kante 31k Späne von dem Gehäuseelement 40 abträgt, ist eine Vertiefung 41 in dem Gehäuseelement 40 vorgesehen. Die Vertiefung 41 ist so angeordnet, dass das erste Ende 35 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Unterseite 31b des Fußbereichs 31 beim Einschieben der Anschlusslasche 3 in den Einschubkanal 45 erstmals das Gehäuseelement 40 berührt, in die Vertiefung 41 angeordnet ist.
Beim weiteren Einschieben der Anschlusslasche 3 in den Einschubkanal 45 wird der Fußbereich 31 unter Vergrößerung des anfänglichen Biegewinkels φ0 gegenüber dem Schaft 30 weiter umgebogen, bis das Ende 35 des Fußbereichs 31 den oder die der Anschlusslasche zugeordneten Anpresselemente 42 berührt. Diese Situation ist in 3B dargestellt.
Bei noch weiterem Einschieben der Anschlusslasche 3 in den Einschubkanal 45 verdrängt das Ende 35 des Fußbereichs 31 das Material des oder der Anpresselemente 42 teilweise, so dass die Anschlusslasche 3 zwischen dem oder den ihr zugeordneten Anpresselementen 42 und der dem Modulinneren zugewandten Seite 47 der Seitenwand 46 des Gehäuseelements 40 eingespannt wird und sich dadurch in einer eindeutig definierten Position bezüglich des Gehäuseelements 40 befindet. 3C zeigt die Anordnung bei vollständig eingeschobener Anschlusslasche 3.
In diesem Zustand erreicht der Biegewinkel φ zwischen dem Schaft 30 und dem Fußbereich 31 seinen vorgegebenen Endwert φ0, der insbesondere durch die Geometrie des Gehäuseelements 40 festgelegt ist. Wie in dem vorliegenden Beispiel gezeigt ist, kann der vorgegebene Endwert φ0 und des Biegewinkels φ beispielsweise etwa 90° betragen.
3D zeigt einen vergrößerten Abschnitt der Anordnung gemäß 3C. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Unterseite 31b des Fußbereichs 31 die Vertiefung 41 zumindest in einer Richtung y vollständig überdeckt. Die Vertiefung 41 weist eine Tiefe t41 auf, die z. B. 0,1 mm bis 0,5 mm betragen kann. Die Breite b41 der Vertiefung 41, gemessen in einer Richtung y, die in der Ebene des Biegewinkels φ liegt und die senkrecht zur Längsrichtung z des Schaftes 30 verläuft, kann beispielsweise 0,5 mm bis 2 mm betragen, Werte oberhalb oder unterhalb dieses Bereichs sind jedoch ebenso möglich. Die beim Einschieben der Anschlusslasche 3 erzeugte Verdrängung d42 des Materials des Anpresselements 42 in der Richtung y ist größer als 0 mm. Optional kann diese Verdrängung außerdem kleiner oder gleich 1,0 mm sein.
Gemäß einer in 4 gezeigten alternativen Ausgestaltung des anhand der 3A bis 3C geschilderten Verfahrens kann der Fußbereich 31 das Anpresselement 42 beim Einschieben der Anschlusslasche 3 in den betreffenden Einschubkanal 45 in der Richtung y auch überragen, beispielsweise um mehr als 0 mm bis 0,2 mm. In diesem Fall beginnt die Verdrängung des Materials des Anpresselements 42 durch den Fußbereich 31 bereits vor der ersten Berührung zwischen der Unterseite 31b des Fußbereichs 31 und dem Gehäuse 40. Das weitere Einschieben der Anschlusslasche in den Einschubkanal 45 und das weitere Umbiegen des Fußbereichs 31 gegenüber dem länglichen Schaft 30 erfolgt entsprechend der anhand der 3B und 3C erläuterten Verfahren.
5 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein so genanntes bodenplattenloses Leistungshalbleitermodul 101, auf das eine Leiterplatte 103 aufgesetzt ist.
Das Leistungshalbleitermodul 101 weist ein Gehäuseelement 40 auf, in das, wie vorangehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert wurde, Anschlusslaschen 3 eingesetzt wurden. Das Gehäuseelement 40 ist beispielhaft als geschlossener Ring ausgebildet. Die Form des Gehäuseelements 40 entspricht der des in den 3A bis 3C und 4 gezeigten Gehäuseelements, allerdings sind ergänzend Flansche mit Montageöffnungen 49 vorgesehen, die dazu dienen, das Leistungshalbleitermodul 101 mit einem Kühlkörper zu verschrauben.
Die obere Öffnung dieses Rings ist durch einen optionalen Gehäusedeckel 44 abgedeckt, durch den die elektrischen Kontaktstellen 32 hindurchgeführt sind. Alternativ dazu kann sich der Gehäusedeckel 44 auch seitlich neben den Kontaktstellen 32 befinden. Bei anderen Ausgestaltungen kann auf einen Gehäusedeckel 44 vollständig verzichtet werden, beispielsweise wenn in den Modulinnenraum eine stabile Vergussmasse eingefüllt ist.
Die elektrischen Kontaktstellen 32 sind beispielhaft als Einpresskontakte ausgebildet, die in korrespondierende Kontaktlöcher der Leiterplatte 103 eingesetzt sind. Auf der Leiterplatte ist eine nicht dargestellte Steuerelektronik zur Ansteuerung des Leistungshalbleitermoduls 101 realisiert.
In die untere Öffnung des Rings ist ein Schaltungsträger 2 eingesetzt, der einen dielektrischen Isolationsträger 20 mit einer zu Leiterbahnen strukturierten oberen Metallisierung 21 und einer optionalen unteren Metallisierung 22 umfasst. Die Metallisierungen 21 und 22 sind fest mit der Oberseite bzw. mit der Unterseite des Isolationsträgers 20 verbunden. Bei dem Isolationsträger 20 kann es sich z. B. um ein flaches Keramikplättchen handeln. Als Keramikmaterialien hierfür eignen sich beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC), oder Berylliumoxid (BeO). Die Metallisierungen 21 und 22 können aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil bestehen. Bei dem Schaltungsträger 2 kann es sich beispielsweise um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding) oder ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder um ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) handeln.
Auf der oberen Metallisierung 21 sind ein oder mehrere Leistungshalbleiterchips, beispielsweise IGBTs, MOSFETs, Thyristoren, Dioden etc. angeordnet und elektrisch leitend mit der oberen Metallisierung 21 verbunden. Die Strukturierung der oberen Metallisierung 21 kann in Abhängigkeit von der zu realisierenden Schaltung beliebig gewählt werden. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen unteren Kontaktflächen der Leistungshalbleiterchips 1 und der oberen Metallisierung 21 kann beispielsweise mittels einer Verbindungsschicht 11 durch Löten, Diffusionslöten, elektrisch leitendes Kleben oder Niedertemperaturdrucksintern erfolgen.
Alternativ zu der gezeigten Ausgestaltung können anstelle von nur einem Schaltungsträger 2 auch zwei oder mehr auf die erläuterte Weise aufgebaute Schaltungsträger 2 nebeneinander im Bereich der unteren Öffnung vorgesehen sein.
Da es sich bei dem anhand von 5 erläuterten Leistungshalbleitermodul 101 um ein sogenanntes ”bodenplattenloses Modul” handelt, ist der Schaltungsträger 2 nicht fest mit einer massiven Bodenplatte verbunden, die die Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls 101 bildet, sondern mittels eines elastischen Klebers 7 in die untere Öffnung des Gehäuseelements 40 eingeklebt, so dass sämtliche Spalte zwischen dem Gehäuseelement und dem Schaltungsträger 2 durch den Kleber 7 abgedichtet sind. Aufgrund der Elastizität des Klebers 7 ist der Schaltungsträger 2 bis zu einem gewissen Grad gegenüber dem Gehäuseelement 40 beweglich. Wird das Leistungshalbleitermodul 101, beispielsweise mit Hilfe von Montageöffnungen 49, die an dem Gehäuseelement 40 angeformt sind, gegen eine ebene Kontaktfläche eines Kühlkörpers (nicht dargestellt) geschraubt, so wird der Schaltungsträger 2 gegen die Kontaktfläche gepresst, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Schaltungsträger 2 bzw. den Schaltungsträgern 2 und der Kontaktfläche entsteht. Die Montage eines oder mehrere Schaltungsträger 2 an dem Gehäuseelement 40 unter Verwendung eines elastischen Klebers 7 kann beispielsweise gemäß allen in der US-Patentanmeldung 12/789,251 vom 27. Mai 2010 erläuterten Varianten erfolgen.
Um die auf dem Schaltungsträger 2 realisierte Schaltung an mit den Anschlusslaschen 3 zu verbinden, sind Bonddrähte 5 vorgesehen, die zum Einen auf die Oberseite 31t des Fußbereichs 31 gebondet sind, zum Anderen auf die obere Metallisierung 21 und/oder auf die der oberen Metallisierung 21 abgewandte Seite eines Leistungshalbleiterchips 1. Als Bonddraht 5 werden hierbei sowohl Drähte verstanden, die außerhalb der Bondstellen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, als auch flache Bändchen mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Als Bonddrähte 5 eignen sich prinzipiell Drähte aus Metall, beispielsweise Kupfer, oder aus einer beliebigen Kupferlegierung, z. B. einer Kupferlegierung mit einem Anteil von wenigstens 99 Gew.-% Kupfer, oder aus Aluminium, oder aus einer beliebigen Aluminiumlegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung mit einem Anteil von wenigstens 99,99 Gew.-% Aluminium, oder eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von wenigstens 0,1 Gew.-% Magnesium. Bonddrähte 5 können grundsätzlich beliebige Querschnittsflächen aufweisen. Der Vorteil der Anordnung steigt mit zunehmender Querschnittsfläche. Diese kann beispielsweise größer oder gleich 30000 μm² gewählt werden (entspricht etwa einem Bonddrahtdurchmesser von 200 μm), oder größer oder gleich 70000 μm² (entspricht etwa einem Bonddrahtdurchmesser von 300 μm). Die Herstellung der Bondverbindung kann beispielsweise durch Ultraschallbonden erfolgen.
Optional kann der Modulinnenraum zumindest teilweise mit einer Weichvergussmasse, beispielsweise einem Silikongel, gefüllt werden, um die Isolationsfestigkeit des Moduls zu erhöhen.
Das in 6 gezeigte Leistungshalbleitermodul unterscheidet sich von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 5 dadurch, dass der Schaltungsträger 2 nicht wie der Schaltungsträger 2 gemäß 5 in die untere Öffnung des Gehäuseelements 40 eingeklebt ist. Statt dessen ist eine massive metallische Bodenplatte 102 vorgesehen, mit der die unterste Metallisierung 22 des Schaltungsträgers 2 mit Hilfe einer Verbindungsschicht 23 fest verbunden ist. Die Verbindungsschicht 23 kann beispielsweise durch Löten, Diffusionslöten, elektrisch leitendes Kleben oder Niedertemperaturdrucksentern hergestellt werden. Die Dicke der Bodenplatte 102 beträgt beispielsweise wenigstens 1 mm bis 5 mm.
Die Bodenplatte 102 weist außerdem Montageöffnungen 109 auf, die mit den Montageöffnungen 49 am Gehäuseelement 40 korrespondieren, um ein Verschrauben des Leistungshalbleitermoduls 101 mit einem Kühlkörper zu ermöglichen.
7 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Gehäuseelements 40, welches mehrere Einschubkanäle 45 aufweist. In zwei der Einschubkanäle 45 wurde jeweils ein Anschlusselement 3 gemäß dem vorangehend erläuterten Verfahren eingesetzt. In dieser Draufsicht sind die als Vorsprünge des Steges 43 ausgebildeten Anpresselemente 42 deutlich zu erkennen.
Gegenüberliegend dem nicht mit einer Anschlusslasche bestückten Einschubkanal oben in 7 befinden sich Anpresselemente 42, die beispielhaft als Vorsprünge eines gemeinsamen Steges 43 ausgebildet sind, und die sich auf der dem Einschubkanal 45 zugewandten Seite des Steges 43 befinden. Da in den zugehörigen Einschubkanal 45 noch keine Anschlusslasche 3 eingeschoben ist, weisen diese Anpresselemente 42 gegenüber dem Steg 43 noch ihre ursprüngliche Tiefe t42 auf, die in dem gezeigten Beispiel 0,5 mm beträgt. Grundsätzlich können beliebige andere Werte gewählt werden, beispielsweise 0,3 mm bis 1 mm.
Nach dem vollständigen Einschieben einer Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal 45, wie dies beispielhaft anhand der beiden unteren Einschubkanäle 45 in 7 gezeigt ist, wird das Material der Anpresselemente 42 teilweise durch das erste Ende 35 der Anschlusslasche 3 verdrängt, so dass sich die ursprüngliche Tiefe t42 des Anpresselementes 42 auf eine Tiefe t42' reduziert. Die reduzierte Tiefe t42' beträgt in dem gezeigten Beispiel 0,2 mm. Hieraus ergibt sich eine Materialverdrängung von etwa 0,3 mm. Die reduzierte Tiefe t42' hängt insbesondere von dem anfänglichen Biegewinkel φ0 und dem vorgegebenen Endwert φ1 des Biegewinkels φ ab. Die Tiefe t42' kann beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,9 mm liegen. In jedem Fall ist die reduzierte Tiefe t42' kleiner als die ursprüngliche Tiefe t42. Durch die Kompression des oder der Anpresselemente 42 wird der Fußbereich 31 zwischen den betreffenden Anpresselementen 42 und der Außenwand 48 des Gehäuseelements 40 eingespannt und so in einer genau definierten Position gehalten.
In dieser Ansicht ist ebenfalls zu erkennen, dass der Fußbereich 31 in der Richtung y die Vertiefung 41 im Bereich der Anpresselemente 42 vollständig überdeckt. Die Anordnung ist so ausgestaltet, dass das erste Ende 35 einer jeden Anschlusslasche 3 das Gehäuseelement 40 nur teilweise berührt, d. h. jedes der ersten Enden 35 weist Bereiche auf, in denen es von dem Steg 43 und damit von dem Gehäuseelement 40 beabstandet ist. Die maximalen Breiten b42 der Anpresselemente 42 können so gewählt sein, dass sie kleiner sind als die Breite b35 der ersten Enden der Fußbereiche 31. Die Breiten b42 und b35 werden dabei in einer Richtung x ermittelt, die senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch den Biegewinkel φ aufgespannt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite b42 0,7 mm. Grundsätzlich sind auch andere Werte, beispielsweise 0,3 mm bis 2 mm, möglich.
8 zeigt eine Anschlusslasche 3, die sich von der in 1 gezeigten Anschlusslasche 3 dadurch unterscheidet, dass an ihrem ersten Ende 35 zwei Fortsätze 31f angeordnet sind, die beim vollständigen Einschieben der Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal 45 in das Anschlagelement 42 eindringen, wie dies in 9 dargestellt ist. Hierdurch wird die Anschlusslasche 3 zwischen dem Anschlagelement 42, das hier beispielhaft als Steg 43 des Gehäuseelements 40 ausgebildet ist, und der dem Modulinneren zugewandten Seite 47 der Gehäuseseitenwand 46 eingespannt und dadurch für einen nachfolgenden Bondvorgang ausreichend fixiert. Anstelle mit genau zwei Fortsätzen 31f kann das erste Ende 35 auf entsprechende Weise auch mit nur einem Fortsatz 31f oder aber mit mehr als zwei Fortsätzen 31f versehen sein.
Die 10A bis 10C zeigen verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Anschlusslasche 3. Diese Anschlusslasche 3 kann auf die gleiche Weise in ein Gehäuseelement 40 eingesetzt werden wie die in 1 und 8 gezeigte Anschlusslasche 3. Sie unterscheidet sich von den in 1 gezeigten Anschlusslaschen 3 darin, dass sie nicht mit Rastnasen 37 versehen ist, sondern mit lokalen Erhebungen 38, die am Schaft 30 auf dessen dem Modulinneren zugewandter Seite ausgebildet sind. Diese Erhebungen 38 können ebenso wie Rastnasen 37 durch Prägen hergestellt werden. Die Erhebungen 38 bilden Federn, durch die der Schaft 30 beim Einschieben der Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal mit dem Gehäuseelement 40 verklemmt wird. 10A zeigt eine Seitenansicht, 10B eine Rückansicht und 10C eine perspektivische Ansicht der Anschlusslasche 3.
11A zeigt die in 10A dargestellte Anschlusslasche 3 zusammen mit einem Stempel 50. Dieser Stempel 50 dient dazu, die Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal 45 eines Gehäuseelements 40 einzupressen. Während des Einpressvorgangs nimmt der Stempel 50 relativ zu der Anschlusslasche 3 die in 11A gezeigte Position ein.
11B zeigt die Anordnung gemäß 11A mit Blick auf das erste Ende 35 der Anschlusslasche 3.
Grundsätzlich ist das vorangehend erläuterte Konzept des des Umbiegens des Fußbereiches 31 einer Anschlusslasche 3 gegenüber einem länglichen Schaft 30 während des Einschiebens der Anschlusslasche 3 in einen Einschubkanal 45 unabhängig davon, ob und ggf. durch welche konstruktiven Maßnahmen wie beispielsweise die in den 1, 2, 8 und 9 gezeigten Rastnasen 37 oder die in den 10A, 10B, 10C, 11A und 11B gezeigten Erhebungen 38 der längliche Schaft 30 in dem Einschubkanal 45 fixiert ist.

Claims

Leistungshalbleitermodul (101) mit: – einem Gehäuseelement (40), das einen Einschubkanal (45) aufweist; – einer in den Einschubkanal (45) eingeschobenen, elektrisch leitenden Anschlusslasche (3), die einen länglichen Schaft (30) umfasst, sowie einen Fußbereich (31) mit einer Unterseite (31b) und einer der Unterseite (31b) abgewandten Oberseite (31t), der sich bis zu einem ersten, dem Modulinneren zugewandten ersten Ende (35) der Anschlusslasche (3) erstreckt, und der um einen vorgegebenen Biegewinkel (φ1) gegenüber dem Schaft (30) umgebogen ist; wobei – das Gehäuseelement (40) zumindest ein der Anschlusslasche (3) zugeordnetes Anpresselement (42) aufweist; und – der Fußbereich (35) dadurch in dem Gehäuseelement (40) eingespannt ist, dass jedes der Anschlusslasche (3) zugeordnete Anpresselement (42) eine Anpresskraft auf das erste Ende (35) der Anschlusslasche (31) ausübt.
Leistungshalbleitermodul (101) gemäß Anspruch 1, bei dem dem Fußbereich (35) – genau ein Anpresselement (42) zugeordnet ist; oder – genau zwei voneinander beabstandete Anpresselemente (42) zugeordnet sind; oder mehr als zwei voneinander beabstandete Anpresselemente (42) zugeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul (101) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem genau ein, mehr oder jedes der Anschlusslasche (3) zugeordnete Anpresselement (42) als Vorsprung eines gemeinsamen Stegs (43) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem genau ein, mehr oder jedes der Anschlusslasche (3) zugeordnete Anpresselement (42) eine Kraft von 1 N bis 120 N auf das erste Ende (35) der Anschlusslasche (3) ausübt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem genau ein, mehr oder jeder der Anschlusslasche zugeordnete Anpresselement (42) dort, wo er das erste Ende (35) berührt, eine Breite (b42') aufweist, die kleiner ist als die Breite (b35), die der Fußbereich (31) am ersten Ende (35) aufweist, wobei die Breiten (b35, b42') jeweils in einer ersten Richtung (x) zu ermitteln sind, die senkrecht zu einer Ebene verläuft, welche durch die Einschieberichtung (z) und den Biegewinkel (φ) gegeben ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei die Anschlusslasche (3) an ihrem ersten Ende (35) genau einen, genau zwei oder mehr als zwei Fortsätze (31f) aufweist, von denen ein jeder in das Anpresselement (42) eindringt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Unterseite (31b) des Fußbereichs (31) die Vertiefung (41) zumindest in einer Richtung (y) vollständig überdeckt.
Verfahren zur Montage einer Anschlusslasche (3) in einem Gehäuseelement (40) für ein Leistungshalbleitermodul (101) mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer elektrisch leitenden Anschlusslasche (3), die einen länglichen Schaft (30) aufweist, sowie einen Fußbereich (31), der eine Unterseite (31b) und eine der Unterseite (31b) abgewandte Oberseite (31t) aufweist, der sich bis zu einem ersten Ende (35) der Anschlusslasche (3) erstreckt, und der gegenüber dem Schaft (30) um einen vorgegebenen anfänglichen Biegewinkel (φ0), der mehr als 0° beträgt, umgebogen ist; – Bereitstellen eines Gehäuseelements (40), das einen Einschubkanal (45) aufweist; – Einschieben der Anschlusslasche (3) in einer Einschieberichtung (z) mit dem Fußbereich (31) voran in den Einschubkanal (45), bis die Unterseite (31b) des Fußbereichs (31) oder das erste Ende (35) an dem Gehäuseelement (40) anliegt; – Weiteres Einschieben der Anschlusslasche (3) in den Einschubkanal (45), so dass der Fußbereich (31) gegenüber dem Schaft (30) unter Vergrößerung des Biegewinkels (φ) umgebogen wird, bis der Biegewinkel (φ) einen vorgegebenen Endwert (φ1) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Gehäuseelement (40) eine Vertiefung (41) aufweist, die so angeordnet ist, dass sich das erste Ende (35) zum Zeitpunkt des ersten Kontaktes zwischen der Unterseite (31b) des Fußbereichs (31) und dem Gehäuseelement (40) und/oder zum Zeitpunkt des ersten Kontaktes zwischen dem ersten Ende (35) und dem Gehäuseelement (40) zumindest teilweise in der Vertiefung (41) befindet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Gehäuseelement (40) ein Anpresselement (42) aufweist, an dem das erste Ende (35) während des weiteren Einschiebens der Anschlusslasche (3) in den Einschubkanal (45) anliegt, und zwar bevor der Biegewinkel (φ) den vorgegebenen Endwert (φ1) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Material des Anpresselements (42) während des weiteren Einschiebens der Anschlusslasche (3) in den Einschubkanal (45) zumindest teilweise verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Anpresselement (42) dort, wo es das erste Ende (35) berührt, eine Breite (b42') aufweist, die kleiner ist als die Breite (b35), die der Fußbereich (31) am ersten Ende (35) aufweist, wobei die Breiten (b35, b42') jeweils in einer ersten Richtung (x) zu ermitteln sind, die senkrecht zu einer Ebene verläuft, welche durch die Einschieberichtung (z) und den Biegewinkel (φ) gegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Anschlusslasche (3) an ihrem ersten Ende (35) genau einen, genau zwei oder mehr als zwei Fortsätze (31f) aufweist, von denen ein jeder während des weiteren Einschiebens der Anschlusslasche (3) in den Einschubkanal (45) in das Anpresselement (42) eindringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das erste Ende (35), nachdem der Biegewinkel (φ) den vorgegebenen Endwert (φ1) erreicht hat, von der Vertiefung (41) beabstandet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der vorgegebene Endwert (φ1) des Biegewinkels (φ) 90° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem der vorgegebene anfängliche Biegewinkel (φ0) 60° bis 80° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, bei dem das Einschieben und/oder das weitere Einschieben der Anschlusslasche (3) mittels eines Stempels (50) erfolgt, indem der Stempel (50) eine Kraft auf die Oberseite (31t) des Fußbereichs (31) ausübt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, bei dem auf die Oberseite (31t) des Fußbereichs (31), nachdem der Biegewinkel (φ) den vorgegebenen Endwert (φ1) erreicht hat, ein Bonddraht (5) gebondet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls (101) mit folgenden Schritten: – Herstellen eines Gehäuseelements (40) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17; – Bereitstellen eines mit einem Leistungshalbleiterchip (1) bestückten Schaltungsträgers (2), der eine isolierende Keramikschicht (20) umfasst, die mit einer oberen Metallisierung (21) versehen ist, auf der der Leistungshalbleiterchip (1) angeordnet ist; – Bereitstellen eines Bonddrahtes (5); – Bonden des Bonddrahtes (5) an die Oberseite (31t) des Fußbereichs (31); – Bonden des Bonddrahtes (5) an die obere Metallisierung (21) und/oder an die der oberen Metallisierung (21) abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips (1).