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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul.
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Aus der
DE 10 2016 119 631 A1 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einer Leiterplatte bekannt, wobei das Substrat des Leistungshalbleitermoduls über elektrisch leitende Anschlussstifte mit einer Leiterplatte der Leistungshalbleitereinrichtung mittels Druckkontaktierungen elektrisch leitend verbunden ist. Da sich insbesondere die Anschlussstifte im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls erwärmen und somit ihre Länge temperaturabhängige Schwankungen aufweist, kann eine relativ hohe mechanische Belastung des Substrats und der Leiterplatte durch die sich bei Erwärmung ausdehnenden Anschlussstifte auftreten, die zu einer Beschädigung des Substrats oder der Leiterplatte führen können. Die Leistungshalbleitereinrichtung weist zum Ausgleich der temperaturabhängigen Schwankungen ihrer Elemente und insbesondere ihre Anschlussstifte ein relativ aufwendige mit elastischen Teilkörpern versehende Druckübertragungseinrichtung auf.
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Aus der
DE 10 2009 022 659 A1 ist ein auf einem Substrat angeordnetes starres, unnachgiebiges Chipbauteil bekannt, das zur elektrisch leitenden Kontaktierung eines federnden Kontaktelements dient. Im Betrieb auftretende temperaturabhängige Schwankungen der Länge des Kontaktelements werden dabei durch die federnde Ausbildung des Kontaktelements ausgeglichen, was eine relativ komplexe mechanische Ausbildung des Kontaktelements erfordert und dessen Stromtragefähigkeit erheblich begrenzt.
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Aus der
US 5 313 091 A ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat bekannt, wobei zur elektrischen Verbindung eines elektrisch leitenden Anschlussstifts mit dem Substrat, auf dem Substrat ein u-förmig ausgebildetes Metallblechelement angeordnet und mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden ist.
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Aus der
DE 36 04 313 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse und mit Anschlusselementen für äußere Haupt- und Steueranschlüsse bekannt, wobei in die Bodenfläche des Kunststoffgehäuses ein Keramiksubstrat eingesetzt ist, das mindestens auf seiner Oberseite mit einer strukturierten Metallisierung versehen und mit Halbleiterbauelementen bestückt ist, wobei mindestens eines der Anschlusselemente für äußere Anschlüsse über eine aus einer Steckhülse und einem Stecker bestehende Steckvorrichtung mit der Metallisierung des Keramiksubstrats verbunden ist.
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Aus der
DE 10 2007 010 883 A1 ist eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und mit einem Schaltungsträger bekannt, wobei das Leistungshalbleitermodul eine Grundplatte mit einer elektrisch leitenden Struktur, ein Gehäuse und ein Anschlusselement aufweist, wobei das Anschlusselement senkrecht zur Grundplatte aus dem Gehäuse herausgeführt und an diesem befestigt ist und einen ersten Anschluss zur Kontaktierung der elektrisch leitenden Struktur aufweist, der als Druckkontakt oder Steckkontakt ausgeführt ist und einen zweiten Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Schaltungsträgers aufweist, der als Druckkontakt, Steckkontakt oder Schraubkontakt ausgeführt ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen zuverlässigen einfach realisierbaren elektrischen Anschluss eines Leistungshalbleitermoduls an eine Leiterplatte zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem eine Gehäuseöffnung aufweisenden Gehäuse, mit einem Substrat, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht aufweist, auf deren ersten Hauptseite eine zu Leiterbahnen strukturierte Metallisierungsschicht angeordnet ist, mit auf der Metallisierungsschicht angeordneten und mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen, mit einem auf der Metallisierungsschicht angeordnetem gebogenen Metallblechelement, das einen mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen weg von der Metallisierungsschicht verlaufenden ersten Verbindungsbereich aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich miteinander verbindet, wobei das Metallblechelement am Übergang vom ersten Verbindungsbereich zum zweiten Kontaktbereich eine erste Biegung aufweist, mit zum elektrischen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls einem durch die Gehäuseöffnung verlaufenden elektrisch leitenden Anschlussstift, der eine erste und eine zweite Kontaktierungsfläche und einen weg von der ersten Hauptseite der Isolationsschicht verlaufenden Verbindungsabschnitt, der die erste und zweite Kontaktierungsfläche miteinander verbindet, aufweist, wobei die erste Kontaktierungsfläche einen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich aufweist, wobei zwischen dem zweiten Kontaktbereich und dem Substrat ein Elastomer angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zwischen dem zweiten Kontaktbereich und dem Substrat ist ein Elastomer angeordnet. Das Elastomer drückt von unten, wenn der Anschlussstift von oben gegen den zweiten Kontaktbereich drückt, gegen den zweiten Kontaktbereich und erhöht somit dessen Federsteifigkeit in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite der Isolationsschicht. Durch eine entsprechende Wahl des Elastomers lässt sich somit auf einfache Art und Weise die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs und somit des Metallblechelements an individuelle Gegebenheiten anpassen, so dass die Blechdicke des Blechs aus denen das Metallblechelement besteht, nicht angepasst werden muss um die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs anzupassen und somit ein einheitliches Metallblechelement für unterschiedliche Leistungshalbleitermodule verwendet werden kann.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Elastomer in Form eines aus dem Elastomer bestehenden Kissenelements ausbildet ist, wobei das Kissenelement und das Metallblechelement eine bauliche Einheit ausbilden. Das Metallblechelement kann dann zusammen mit dem Kissenelement als ein Bauteil auf dem Substrat angeordnet werden, was eine rationelle Herstellung des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Elastomer als Silikon, insbesondere als ein vernetzter Silikonkautschuk, ausgebildet ist, da dann die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs besonders gut an individuelle Gegebenheiten anpasst werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zweite Kontaktbereich einen Vertiefungsbereich aufweist, wobei die erste Kontaktierungsfläche einen mechanischen Kontakt mit dem Vertiefungsbereich aufweist, da dann Bewegungen der ersten Kontaktierungsfläche des Anschlussstifts in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht begrenzt und im Idealfall verhindert werden. Der Vertiefungsbereich ist vorzugsweise als Zentriervertiefung ausgebildet.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement am Übergang vom ersten Verbindungsbereich zum ersten Kontaktbereich eine zweite Biegung aufweist, wobei der erste Kontaktbereich in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht verläuft, da dann das Metallblechelement mechanisch sehr belastbar mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig verbunden ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement einen mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen dritten Kontaktbereich und einen weg von der Metallisierungsschicht verlaufenden zweiten Verbindungsbereich aufweist, der den dritten und zweiten Kontaktbereich miteinander verbindet, wobei das Metallblechelement am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich zum zweiten Kontaktbereich eine dritte Biegung aufweist, wobei der zweite Kontaktbereich den ersten und zweiten Verbindungsbereich miteinander verbindet. Hierdurch wird die mechanische Belastbarkeit des Metallblechelements erhöht.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich zum dritten Kontaktbereich eine vierte Biegung aufweist, wobei der dritte Kontaktbereich in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht verläuft, da dann das Metallblechelement mechanisch hoch belastbar mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig verbunden ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Gehäuseöffnung einen Führungskanal ausbildet, der eine Bewegung des Anschlussstifts in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht führt, da dann der Anschlussstift in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht zuverlässig geführt ist.
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Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul und mit einem eine Leiterbahn aufweisenden Leiterplatte, wobei die Leiterbahn der Leiterplatte einen mechanischen Kontakt mit der zweiten Kontaktierungsfläche aufweist, wobei die Leiterplatte gegen das Leistungshalbleitermodul gedrückt angeordnet ist, so dass die Leiterbahn der Leiterplatte gegen die zweite Kontaktierungsfläche gedrückt angeordnet ist und hierdurch die Leiterbahn der Leiterplatte mit der zweiten Kontaktierungsfläche elektrisch leitend druckkontaktiert ist, und die erste Kontaktierungsfläche gegen den zweiten Kontaktbereich gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Kontaktierungsfläche mit dem zweiten Kontaktbereich elektrisch leitend druckkontaktiert ist, als vorteilhaft, da bei einer solchen Leistungshalbleitereinrichtung das Substrat des Leistungshalbleitermoduls mit der Leiterplatte zuverlässig elektrisch leitend verbunden ist.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleitereinrichtung eine Druckübertragungseinrichtung und eine Druckerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Leiterplatte zwischen der Druckübertragungseinrichtung und dem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung einen Druck auf die Druckübertragungseinrichtung in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht auf das Substrat zu erzeugt und hierdurch die Druckübertragungseinrichtung gegen die Leiterplatte drückt und hierdurch die Leiterbahn der Leiterplatte gegen die zweite Kontaktierungsfläche und die erste Kontaktierungsfläche gegen den zweiten Kontaktbereich drückt, da dann das Substrat mit der Leiterplatte besonders zuverlässig elektrisch leitend verbunden ist.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung, aufweisend ein Leistungshalbleitermodul mit einem eine Gehäuseöffnung aufweisenden Gehäuse, mit einem Substrat, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht auf deren ersten Hauptseite eine zu Leiterbahnen strukturierte Metallisierungsschicht angeordnet ist, mit auf der Metallisierungsschicht angeordneten und mit der Metallisierungsschicht stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden Leistungshalbleiterbauelementen, mit zum elektrischen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls einem durch die Gehäuseöffnung verlaufenden elektrisch leitenden Anschlussstift, der eine erste und eine zweite Kontaktierungsfläche und einen weg von der Metallisierungsschicht verlaufenden ersten Verbindungsbereich aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich miteinander verbindet, wobei die erste Kontaktierungsfläche einen mechanischen Kontakt mit der Metallisierungsschicht aufweist, wobei die Leistungshalbleitereinrichtung eine eine Leiterbahn aufweisende Leiterplatte und ein auf der Leiterbahn der Leiterplatte angeordnetes gebogenes Metallblechelement aufweist, das einen mit der Leiterbahn der Leiterplatte stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen weg von der Leiterbahn der Leiterplatte verlaufenden ersten Verbindungsbereich aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich miteinander verbindet, wobei das Metallblechelement am Übergang von dem ersten Verbindungsbereich zum zweiten Kontaktbereich eine erste Biegung aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsfläche einen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich aufweist, wobei die Leiterplatte gegen das Leistungshalbleitermodul gedrückt angeordnet ist, so dass der zweite Kontaktbereich gegen die zweite Kontaktierungsfläche gedrückt angeordnet ist und hierdurch der zweite Kontaktbereich mit der zweiten Kontaktierungsfläche elektrisch leitend druckkontaktiert ist, und die erste Kontaktierungsfläche gegen die Metallisierungsschicht gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Kontaktierungsfläche mit der Metallisierungsschicht elektrisch leitend druckkontaktiert ist, wobei zwischen dem zweiten Kontaktbereich und der Leiterbahn der Leiterplatte ein Elastomer angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zwischen dem zweiten Kontaktbereich und der Leiterbahn der Leiterplatte ist ein Elastomer angeordnet. Das Elastomer drückt von oben, wenn der Anschlussstift von unten gegen den zweiten Kontaktbereich drückt, gegen den zweiten Kontaktbereich und erhöht somit dessen Federsteifigkeit in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite der Isolationsschicht. Durch eine entsprechende Wahl des Elastomers lässt sich somit auf einfache Art und Weise die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs und somit des Metallblechelements an individuelle Gegebenheiten anpassen, so dass die Blechdicke des Blechs aus denen das Metallblechelement besteht, nicht angepasst werden muss um die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs anzupassen und somit ein einheitliches Metallblechelement für unterschiedliche Leistungshalbleitermodule verwendet werden kann.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Elastomer in Form eines aus dem Elastomer bestehenden Kissenelements ausbildet ist, wobei das Kissenelement und das Metallblechelement eine bauliche Einheit ausbilden. Das Metallblechelement kann dann zusammen mit dem Kissenelement als ein Bauteil auf dem Substrat angeordnet werden, was eine rationelle Herstellung des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Elastomer als Silikon, insbesondere als ein vernetzter Silikonkautschuk, ausgebildet ist, da dann die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs besonders gut an individuelle Gegebenheiten anpasst werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zweite Kontaktbereich einen Vertiefungsbereich aufweist, wobei die erste Kontaktierungsfläche einen mechanischen Kontakt mit dem Vertiefungsbereich aufweist, da dann Bewegungen der ersten Kontaktierungsfläche des Anschlussstifts in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht begrenzt und insbesondere verhindert werden. Der Vertiefungsbereich ist vorzugsweise als Zentriervertiefung ausgebildet.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement am Übergang vom ersten Verbindungsbereich zum ersten Kontaktbereich eine zweite Biegung aufweist, wobei der erste Kontaktbereich in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht verläuft, da dann das Metallblechelement mechanisch sehr belastbar mit der Leiterbahn der Leiterplatte stoffschlüssig verbunden ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement einen mit der Leiterbahn der Leiterplatte stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen dritten Kontaktbereich und einen weg von Leiterbahn der Leiterplatte verlaufenden zweiten Verbindungsbereich aufweist, der den dritten und zweiten Kontaktbereich miteinander verbindet, wobei das Metallblechelement am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich zum zweiten Kontaktbereich eine dritte Biegung aufweist, wobei der zweite Kontaktbereich den ersten und zweiten Verbindungsbereich miteinander verbindet. Hierdurch wird die mechanische Belastbarkeit des Metallblechelements erhöht.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Metallblechelement am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich zum dritten Kontaktbereich eine vierte Biegung aufweist, wobei der dritte Kontaktbereich in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht verläuft, da dann das Metallblechelement mechanisch hoch belastbar mit der Leiterbahn der Leiterplatte stoffschlüssig verbunden ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Gehäuseöffnung einen Führungskanal ausbildet, der eine Bewegung des Anschlussstifts in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht führt, da dann der Anschlussstift in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht zuverlässig geführt ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleitereinrichtung eine Druckübertragungseinrichtung und eine Druckerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Leiterplatte zwischen der Druckübertragungseinrichtung und dem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung einen Druck auf die Druckübertragungseinrichtung in Normalenrichtung der ersten Hauptseite der Isolationsschicht auf das Substrat zu erzeugt und hierdurch die Druckübertragungseinrichtung gegen die Leiterplatte drückt und hierdurch der zweite Kontaktbereich gegen die zweite Kontaktierungsfläche und die erste Kontaktierungsfläche gegen die Metallisierungsschicht drückt, da dann das Substrat mit der Leiterplatte besonders zuverlässig elektrisch leitend verbunden ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Kontaktbereichs eines Metallblechelements des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
- 3 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
- 4 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
- 5 eine perspektivische Ansicht eines in 4 dargestellten Metallblechelements und
- 6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung 15 mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1 dargestellt. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1 weist eine eine Gehäuseöffnung 7a aufweisendes, vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildetes, Gehäuse 7 und ein Substrat 2 auf, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 2a aufweist, auf deren ersten Hauptseite 2a' eine zu Leiterbahnen 2b' strukturierte Metallisierungsschicht 2b angeordnet ist. Die Leiterbahnen 2b' sind auf der Isolationsschicht 2a voneinander beanstandet angeordnet. Die Leiterbahnen 2b' sind auf der Isolationsschicht 2a voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Die Isolationsschicht 2a ist vorzugsweise als Keramikplatte ausgebildet. Das Substrat 2 weist vorzugsweise eine auf der Isolationsschicht 2a angeordnete strukturierte oder unstrukturierte weitere Metallisierungsschicht 2c auf, wobei die Isolationsschicht 2a zwischen der Metallisierungsschicht 2b und der weiteren Metallisierungsschicht 2c angeordnet ist. Die jeweilige Metallisierungsschicht 2b bzw. 2c ist mit der Isolationsschicht 2a stoffschlüssig verbunden. Das Substrat 2 kann z.B. als Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat) oder als Aktive Metal Brazing Substrat (AMB-Substrat) ausgebildet sein. Alternativ kann das Substrat 3 auch als Insulated Metal Substrat (IMS-Substrat) ausgebildet sein. Das Gehäuse 7 weist vorzugsweise eine becherförmige Grundform auf. Das Gehäuse 7 bedeckt die Metallisierungsschicht 2b.
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Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin auf der Metallisierungsschicht 2b angeordnete und mit der Metallisierungsschicht 2b, z.B. mittels einer in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 3 und der Metallisierungsschicht 2b angeordnete Löt- oder Sinterschicht, stoffschlüssig elektrisch leitend verbundene Leistungshalbleiterbauelemente 3 auf. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 3 liegt vorzugweise in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Der jeweilige Leistungshalbleiterschalter liegt dabei vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder in Form eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder Thyristors vor. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind die Leistungshalbleiterbauelemente 3 mittels Bonddrähten 11 miteinander elektrisch verschalten. Alternativ könnten die Leistungshalbleiterbauelemente 3 auch mittels eines elektrisch leitenden Folienverbunds miteinander elektrisch verschalten sein.
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Das Leistungshalbleitermodul 1 kann eine Grundplatte 12 aufweisen, auf der das Substrat 2 angeordnet ist. Die Grundplatte 12 kann zur Anordnung auf einem Kühlkörper vorgesehen sein. Aus der Grundplatte 12 heraus können auch Kühlfinnen oder Kühlpins 13 hervorstehen und die Grundplatte 12 somit auch integraler Bestanteil eines Kühlkörpers sein.
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Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein auf der Metallisierungsschicht 2b angeordnetes gebogenes Metallblechelement 4 auf, das einen mit der Metallisierungsschicht 2b, z.B. über eine in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Löt- oder Sinterschicht, stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden ersten Kontaktbereich 4a, einen zweiten Kontaktbereich 4c und einen weg von der Metallisierungsschicht 2b verlaufenden ersten Verbindungsbereich 4b aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich 4a und 4c miteinander verbindet. Die Löt- oder Sinterschicht ist dabei vorzugsweise zwischen dem ersten Kontaktbereich 4a und der Metallisierungsschicht 2b angeordnet. Der erste Verbindungsbereich 4b verläuft, vorzugsweise in Normenrichtung N der ersten Hauptseite 2a der Isolationsschicht 2a, weg von der Metallisierungsschicht 2b. Das gebogene Metallblechelement 4 ist aus einem Metallblech ausgebildet, das zu dem Metallblechelement 4 gebogen wurde. Das Metallblechelement 4 weist am Übergang vom ersten Verbindungsbereich 4b zum zweiten Kontaktbereich 4c eine erste Biegung 4d auf. Der zweite Kontaktbereich 4c ist somit in Normenrichtung N der Isolationsschicht 2a federnd angeordnet. Der zweite Kontaktbereich 4c verläuft zumindest näherungsweise in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des zweiten Kontaktbereichs 4c. Im einfachsten Fall (in den Figuren nicht dargestellt) kann der erste Kontaktbereich 4a auch durch eine der Metallisierungsschicht 2b zugewandte Stirnfläche des ersten Verbindungsbereichs 4b ausgebildet sein. Vorzugsweise weist das Metallblechelement 4 aber am Übergang vom ersten Verbindungsbereich 4b zum ersten Kontaktbereich 4a eine zweite Biegung 4e auf, wobei der erste Kontaktbereich 4a in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a verläuft. Es sei angemerkt, dass gegenüber der Darstellung in 1, die zweite Biegung 4e selbstverständlich, wie beispielhaft in 4 und 5 dargestellt, auch in die 180° entgegengesetzte Richtung verlaufen kann.
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Zum elektrischen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls 1, genauer ausgedrückt elektrischen Anschluss des Substrats 2, weist das Leistungshalbleitermodul 1 einen durch die Gehäuseöffnung 7 verlaufenden elektrisch leitenden Anschlussstift 6, der eine erste und eine zweite Kontaktierungsfläche 6a und 6c und einen, vorzugsweise in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a, weg von der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a verlaufenden Verbindungsabschnitt 6b aufweist, der die erste und zweite Kontaktierungsfläche 6a und 6c miteinander verbindet. Die erste Kontaktierungsfläche 6a des Anschlussstifts 6 weist einen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich 4c des Metallblechelements 4 auf. Der Anschlussstift 6 ist starr, also nicht federnd ausgebildet. Der Anschlussstift 6 besteht aus Metall. Der Anschlussstift 6 könnte auch als Anschlussbolzen bezeichnet werden. Die zweite Kontaktierungsfläche 6c ist außerhalb der Gehäuses 7 angeordnet. Die Gehäuseöffnung 7a bildet, wie beispielhaft in 1 dargestellt, einen Führungskanal aus, der eine Bewegung des Anschlussstifts 6 in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a führt.
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Der zweite Kontaktbereich 4c weist vorzugsweise einen Vertiefungsbereich 4c' auf, wobei die erste Kontaktierungsfläche 6a einen mechanischen Kontakt mit dem Vertiefungsbereich 4c' aufweist. Der Vertiefungsbereich 4c' ist vorzugsweise als Zentriervertiefung ausgebildet. Die Oberfläche des Vertiefungsbereichs 4c' begrenzt eine Vertiefung 5 des zweiten Kontaktbereich 4c. Die Vertiefung 5 ist vorzugsweise durch eine mechanische Verformung des Vertiefungsbereichs 4c' ausgebildet.
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Zwischen dem zweiten Kontaktbereich 4c und dem Substrat 2 ist ein Elastomer 10 angeordnet. Das Elastomer 10 ist vorzugsweise als Silikon, insbesondere als ein vernetzter Silikonkautschuk, ausgebildet. Das Elastomer 10 drückt von unten, wenn der Anschlussstift 6 von oben gegen den zweiten Kontaktbereich 4c drückt, gegen den zweiten Kontaktbereich 4c und erhöht somit dessen Federsteifigkeit in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a. Durch eine entsprechende Wahl des Elastomers 10 lässt sich somit auf einfache Art und Weise die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereich 4c und somit des Metallblechelements 4 an individuelle Gegebenheiten anpassen, so dass die Blechdicke des Blechs aus denen das Metallblechelement 6 besteht nicht angepasst werden muss um die Federsteifigkeit des zweiten Kontaktbereichs 4c anzupassen, wodurch ein einheitliches Metallblechelement für unterschiedliche Leistungshalbleitermodule 1 bzw. Leistungshalbleitereinrichtungen 15, 15' verwendet werden kann. Das Elastomer 10 kann mit dem zweiten Kontaktbereich 4c und/oder der Metallisierungsschicht 2b stoffschlüssig verbunden sein. Das Elastomer 10 kann, wie beispielhaft in 4 und 5 dargestellt, z.B. in Form eines aus dem Elastomer 10 bestehenden Kissenelements 10' ausbildet sein, wobei das Kissenelement 10' und das Metallblechelement 4 eine bauliche Einheit ausbilden.
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Wie beispielhaft in den 3 bis 5 dargestellt, kann das Metallblechelement 4 zusätzlich einen mit der Metallisierungsschicht 2b stoffschlüssig, z.B. über eine in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Löt- oder Sinterschicht, elektrisch leitend verbundenen dritten Kontaktbereich 4a' und einen, vorzugsweise in Normenrichtung N der ersten Hauptseite 2a der Isolationsschicht 2a, weg von der Metallisierungsschicht 2b verlaufenden zweiten Verbindungsbereich 4b' aufweisen, der den dritten und zweiten Kontaktbereich 4a' und 4c miteinander verbindet, wobei das Metallblechelement 4 am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich 4b' zum zweiten Kontaktbereich 4c eine dritte Biegung 4f aufweist, wobei der zweite Kontaktbereich 4c den ersten und zweiten Verbindungsbereich 4b und 4b' miteinander verbindet. Der zweite Kontaktbereich 4c ist in Normenrichtung N der Isolationsschicht 2a federnd angeordnet. Die Löt- oder Sinterschicht ist vorzugsweise zwischen dem dritten Kontaktbereich 4a' und der Metallisierungsschicht 2b angeordnet.
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Der dritte Kontaktbereich 4a' verläuft zumindest näherungsweise in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a. Im einfachsten Fall (in den Figuren nicht dargestellt) kann der dritte Kontaktbereich 4a' auch durch eine der Metallisierungsschicht 2b zugewandte Stirnfläche des zweiten Verbindungsbereichs 4b' ausgebildet sein. Vorzugsweise weist das Metallblechelement 4 aber am Übergang vom zweiten Verbindungsbereich 4b' zum dritten Kontaktbereich 4a' eine vierte Biegung 4g auf, wobei der dritte Kontaktbereich 4a' in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a verläuft. Es sei angemerkt, dass gegenüber der Darstellung in 3, die vierte Biegung 4g selbstverständlich, wie beispielhaft in 4 und 5 dargestellt, auch in die 180° entgegengesetzte Richtung verlaufen kann.
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Wie beispielhaft in 3 links dargestellt, kann der Anschlussstift 6 an seinen beiden Endbereichen auch eine Verbreiterung 6d bzw. 6e aufweisen.
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Es sei angemerkt, dass sich die Ausbildungen des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß der 1 bis 5 lediglich durch die Ausbildung des jeweiligen Metallblechelements 4 und gegebenenfalls des Elastomers 10 voneinander unterscheiden.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 15 weist eine Leiterbahnen 9b aufweisende Leiterplatte 9 auf. Die Leiterplatte 9 weist eine glasfaserverstärkte Kunststoffschicht 9a auf, auf deren dem Leistungshalbleitermodul 1 zugewandten Seite Leiterbahnen 9b angeordnet sind. Auf der dem Leistungshalbleitermodul 1 abgewandten Seite der Kunststoffschicht 9a können Leiterbahnen 9c angeordnet sein. Die Leiterplatte 9 kann mehrere glasfaserverstärkte Kunststoffschichten zwischen denen Leiterbahnen angeordnet sind aufweisen und solchermaßen als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet sein. Eine Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 weist einen mechanischen Kontakt mit der zweiten Kontaktierungsfläche 6c auf. Die Leiterplatte 9 ist gegen das Leistungshalbleitermodul 1 gedrückt angeordnet ist, so dass die Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 gegen die zweite Kontaktierungsfläche 6c gedrückt angeordnet ist und hierdurch die Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 mit der zweiten Kontaktierungsfläche 6c elektrisch leitend druckkontaktiert ist, und die erste Kontaktierungsfläche 6a gegen den zweiten Kontaktbereich 4c gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Kontaktierungsfläche 6a mit dem zweiten Kontaktbereich 4c elektrisch leitend druckkontaktiert ist.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 15 weist vorzugsweise eine Druckübertragungseinrichtung 17 und eine Druckerzeugungseinrichtung 16 auf. Die Leiterplatte 9 ist zwischen der Druckübertragungseinrichtung 17 und dem Gehäuse 7 des Leistungshalbleitermoduls 1 angeordnet. Die Druckerzeugungseinrichtung 16 erzeugt einen Druck F auf die Druckübertragungseinrichtung 17 in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a auf das Substrat 2 zu und drückt hierdurch die Druckübertragungseinrichtung 17 gegen die Leiterplatte 9 und drückt die Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 gegen die zweite Kontaktierungsfläche 6c und drückt die erste Kontaktierungsfläche 6a gegen den zweiten Kontaktbereich 4c. Die Druckerzeugungseinrichtung 16 kann z.B. aus mindestens einer Schraube 16 bestehen, die die Druckübertragungseinrichtung 17 mit der Grundplatte 12 verschraubt. Die einzelnen Elemente weisen hierzu bei den Ausführungsbeispielen, wie in den Figuren gestrichelt gezeichnet, ein jeweiliges Loch auf durch das die mindestens eine Schraube 16 hindurchgeführt ist, wobei bei den Ausführungsbeispielen die Grundplatte 16 ein mit einem Innengewinde versehenes Sackloch aufweist, in das die mindestens eine Schraube 16 hineingedreht ist.
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In 6 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 15' mit einem Leistungshalbleitermodul 1' dargestellt. Die Leistungshalbleitereinrichtung 15' weist ein Leistungshalbleitermodul 1' mit einem eine Gehäuseöffnung 7a aufweisenden Gehäuse 7, mit einem Substrat 2, das eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 2a auf deren ersten Hauptseite 2a' eine zu Leiterbahnen 2b' strukturierte Metallisierungsschicht 2b angeordnet ist, mit auf der Metallisierungsschicht 2b angeordneten und mit der Metallisierungsschicht 2b stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden Leistungshalbleiterbauelementen 3, mit zum elektrischen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls 1 einem durch die Gehäuseöffnung 7 verlaufenden elektrisch leitenden Anschlussstift 6, der eine erste und eine zweite Kontaktierungsfläche 6a und 6c und einen weg von der Metallisierungsschicht 2b verlaufenden ersten Verbindungsbereich 4b aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich 4a und 4c miteinander verbindet, auf. Die erste Kontaktierungsfläche 6a weist einen mechanischen Kontakt mit der Metallisierungsschicht 2b auf. Die Leistungshalbleitereinrichtung 15' weist eine eine Leiterbahn 9b aufweisende Leiterplatte 9 und ein auf der Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 angeordnetes gebogenes Metallblechelement 4 auf, das einen mit der Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktbereich 4a, einen zweiten Kontaktbereich 4c und einen weg von der Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 verlaufenden ersten Verbindungsbereich 4b aufweist, der den ersten und zweiten Kontaktbereich 4a und 4c miteinander verbindet. Das Metallblechelement 4 weist am Übergang von dem ersten Verbindungsbereich 4b zum zweiten Kontaktbereich 4c eine erste Biegung 4d auf. Die zweite Kontaktierungsfläche 6c weist einen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kontaktbereich 4c auf, wobei die Leiterplatte 9 gegen das Leistungshalbleitermodul 1' gedrückt angeordnet ist, so dass der zweite Kontaktbereich 4c gegen die zweite Kontaktierungsfläche 6c gedrückt angeordnet ist und hierdurch der zweite Kontaktbereich 4c mit der zweiten Kontaktierungsfläche 6c elektrisch leitend druckkontaktiert ist, und die erste Kontaktierungsfläche 6a gegen die Metallisierungsschicht 2b gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Kontaktierungsfläche 6a mit der Metallisierungsschicht 2b elektrisch leitend druckkontaktiert ist.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 15' weist vorzugsweise eine Druckübertragungseinrichtung 17 und eine Druckerzeugungseinrichtung 16 auf, wobei die Leiterplatte 9 zwischen der Druckübertragungseinrichtung 17 und dem Gehäuse 7 des Leistungshalbleitermoduls 1' angeordnet ist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung 16 einen Druck F auf die Druckübertragungseinrichtung 17 in Normalenrichtung N der ersten Hauptseite 2a' der Isolationsschicht 2a auf das Substrat 2 zu erzeugt und hierdurch die Druckübertragungseinrichtung 17 gegen die Leiterplatte 9 drückt und hierdurch der zweite Kontaktbereich 4c gegen die zweite Kontaktierungsfläche 6c und die erste Kontaktierungsfläche 6a gegen die Metallisierungsschicht 2b drückt.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 15' bzw. das Leistungshalbleitermodul 1' gemäß 6 entspricht dabei einschließlich vorteilhafter Ausführungsformen, Ausbildungsvarianten und Eigenschaften der Leistungshalbleitereinrichtung 15 bzw. dem Leistungshalbleitermodul 1 bzw. Komponenten von diesen gemäß den 1 bis 5 und der zugehörigen Beschreibung, so dass um Wiederholungen zu vermeiden hinsichtlich vorteilhafter Ausführungsformen, Ausbildungsvarianten und Eigenschaften auf die Beschreibung zu den 1 bis 5 der Leistungshalbleitereinrichtung 15 bzw. dem Leistungshalbleitermodul 1 bzw. Komponenten von diesen verwiesen wird. Die einzigen Unterschiede der Leistungshalbleitereinrichtung 15' bzw. des Leistungshalbleitermoduls 1' gegenüber der Leistungshalbleitereinrichtung 15 bzw. dem Leistungshalbleitermodul 1 bestehen darin, dass bei der Leistungshalbleitereinrichtung 15' bzw. dem Leistungshalbleitermoduls 1' der jeweilige Kontaktbereich 4a bzw. 4a' des Metallblechelements 4 nicht mit der Metallisierungsschicht 2b stoffschlüssig elektrisch leitend verbundenen ist sondern mit der Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 und dass das Elastomer 10 bei der Leistungshalbleitereinrichtung 15' zwischen dem zweiten Kontaktbereich 4c und der Leiterbahn 9b der Leiterplatte 9 angeordnet ist.
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Bei der Erfindung werden im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 15 bzw. 15' infolge von Erwärmung der Anschlussstifte 6 auftretende Änderungen der Länge der Anschlussstifte 6 durch den federnden zweiten Kontaktbereich 4c mechanisch ausgeglichen, so dass temperaturbedingte Änderungen der Längen der Anschlussstifte 6 zu keiner Beschädigung des Substrats 2 oder der Leiterplatte 9 führen und somit ein zuverlässiger einfach realisierbarer elektrischer Anschluss eines Leistungshalbleitermoduls 1 bzw. 1' an eine Leiterplatte 9 erzielt wird. Bei der Erfindung werden dabei zum elektrischen Anschluss eines Leistungshalbleitermoduls an eine Leiterplatte weder eine relativ aufwendig ausgebildete mit elastischen Teilkörpern versehende Druckübertragungseinrichtung noch mechanisch relativ komplex ausgebildete federnde Kontaktelemente, die nur eine relativ geringe Stromtragefähigkeit aufweisen, benötigt.
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Das Metallblechelement 4 bzw. der Anschlussstift 6 besteht vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus einer Kupferlegierung. Das Metallblechelement 4 bzw. der Anschlussstift 6 ist einstückig ausgebildet. Das Metallblechelement 4 bzw. der Anschlussstift 6 kann eine elektrisch leitende Beschichtung, insbesondere eine Kontaktbeschichtung, z.B. aus einem Metall (z.B. Gold), aufweisen. Eine solche Beschichtung ist im Sinne der Erfindung ein integraler Bestandteil des Metallblechelements 4 bzw. des Anschlussstifts 6.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Elemente, beispielhaft der Anschlussstift, das Metallblechelement und das Elastomer mehrfach in dem Leistungshalbleitermodul und/oder in der Leistungshalbleitereinrichtung vorhanden sein.
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Es sei weiterhin an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
