DE102021134003A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls und Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls und ein Leistungshalbleitermodul jeweils mit einem Gehäuse, einer in diesem Gehäuse angeordneten Schalteinrichtung und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen mit folgenden Verfahrensschritten: A) Ausbilden eines Gehäuses mit vorfixierten Anschlusselementen; B) Anordnen der Schalteinrichtung in dem Gehäuse und verbinden der Anschlusselemente mit Anschlussflächen eines Substrats der Schalteinrichtung; C) Anordnen einer Positioniereinrichtung zur Lagefixierung der Anschlusselemente zueinander; D) Fixieren der Anschlusselemente relativ zueinander und zum Gehäuse.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Gehäuse, einer in diesem Gehäuse angeordneten Schalteinrichtung und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein derartiges Leistungshalbleitermodul.
  • Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt Kunststoffgehäuse für Leistungshalbleitermodule herzustellen, wobei während des Herstellungsverfahrens bereits eine Mehrzahl von Anschlusselementen in dem Kunststoff angeordnet werden. Derartige Verfahren weisen den Nachteil auf, dass die Positionierung der einzelnen Anschlusselemente zueinander oder absolut zum Gehäuse fehlerbehaftet oder insbesondere kostenseitig aufwändig sein kann.
  • In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Herstellungsverfahren zur Ausbildung eines Leistungshalbleitermoduls insbesondere eines Gehäuses hierfür und ein Leistungshalbleitermodul selbst vorzustellen, wobei die Positionierung der Anschlusselemente zueinander oder zum Gehäuse nicht bereits bei der Herstellung des Gehäuses den finalen Qualitätsanforderungen gehorchen muss.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Gehäuse, einer in diesem Gehäuse angeordneten Schalteinrichtung und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen mit folgenden Verfahrensschritten:
    1. A) Ausbilden eines Gehäuses mit vorfixierten Anschlusselementen;
    2. B) Anordnen der Schalteinrichtung in dem Gehäuse und verbinden der Anschlusselemente mit Anschlussflächen eines Substrats der Schalteinrichtung;
    3. C) Anordnen einer Positioniereinrichtung zur Lagefixierung der Anschlusselemente zueinander;
    4. D) Fixieren der Anschlusselemente relativ zueinander und zum Gehäuse.
  • Grundsätzlich soll hier und im Folgenden der Begriff Gehäuse breit verstanden werden und umfasst somit insbesondere auch Gehäuseteile insbesondere auch rahmenartige Gehäuseteile. Ebenso soll der Begriff Anschlusselement breit verstanden werden und umfasst insbesondere Lastanschlusselemente, wie auch Steuer- und Hilfsanschlusselemente, die beispielhaft als Löt- oder Steck-, insbesondere Press-Pin-Kontakte ausgebildet sein können.
  • Hierbei kann es bevorzugt sein, wenn die Anschlusselemente jeweils einen Fuß- und einen Kontaktabschnitt aufweisen, wobei der jeweilige Fußabschnitt im Verfahrensschritt B) mit einer zugeordneten Anschlussfläche elektrisch leitend, mechanisch verbunden wird. Hierbei kann es weiterhin bevorzugt sein, wenn die jeweiligen Kontaktabschnitte zueinander, insbesondere senkrecht zu ihrer Längsrichtung, in einer Raumrichtung, oder bevorzugt in zwei orthogonalen Raumrichtungen, beweglich angeordnet sind.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn das Gehäuse als ein Kunststoffgehäuse ausgebildet ist und die Anschlusselement spritzgusstechnisch darin vorfixiert werden.
  • In einer Alternative kann es vorteilhaft sein, wenn die Positioniereinrichtung nach dem Verfahrensschritt D) entfernt wird. In einer anderen Alternative kann es vorteilhaft sein, wenn die Positioniereinrichtung nach dem Verfahrensschritt D) nicht entfernt wird und insbesondere einen Teil des Gehäuses ausbildet. Hierbei kann es besonders bevorzugt sein, wenn die Anschlusselemente mittels jeweils einer umlaufenden zweiten Positionierfläche oder jeweils mittels einer Mehrzahl von zweiten Positionierteilfläche, jeweils angeordnet in oder an der jeweiligen Ausnehmung der Positioniereinrichtung, in ihrer Lage fixiert werden.
  • Grundsätzlich kann es bevorzugt sein, wenn die Anschlusselemente mittels einer adhäsiven Masse, die bevorzugt in Ausnehmungen des Gehäuses oder der Positioniereinrichtung gefüllt wird, in ihrer Lage fixiert werden. Alternativ hierzu kann es bevorzugt sein, wenn die Anschlusselemente durch Verformen eines Verformungsabschnitts des Gehäuses oder der Positioniereinrichtung in ihrer Lage fixiert werden.
  • Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn das jeweilige Anschlusselement in eine Raumrichtung fixiert wird, indem eine Positionierfläche oder einander gegenüberliegende erste Positionierteilflächen des Positionierelements während des Verfahrensschritts C) an dem Anschlusselement bündig anliegen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, einer in diesem Gehäuse angeordneten Schalteinrichtung und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen, wobei die jeweiligen Anschlusselemente einen ersten Verbindungsabschnitt aufweisen, der jeweils formschlüssig in dem Gehäuse angeordnet ist und einen zweiten Verbindungsabschnitt aufweist, der stoffschlüssig oder kraftschlüssig in dem Gehäuse angeordnet ist.
  • Es kann vorteilhaft sein, die formschlüssige Verbindung als eine spritzgusstechnische Verbindung ausgebildet ist.
  • Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die stoffschlüssige Verbindung als eine Klebeverbindung ausgebildet ist, bei der die adhäsive Masse der Klebeverbindung in einer Ausnehmung des Gehäuses angeordnet ist. Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn die kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist als eine thermische Verformung eines Verformungsabschnitts des Gehäuses.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, gleichgültig ob sie im Rahmen des Herstellungsverfahrens oder der Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 bis 3 zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 4 zeigt einen Schritt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 5 und 6 zeigen eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 7 zeigt einen Schritt einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 bis 3 zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In 1 ist hierbei ein Leistungshalbleitermodul nach dem Verfahrensschritt B) dargestellt. Bei diesem Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse 2, mit einer in diesem Gehäuse 2 angeordneten Schalteinrichtung 3 und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen 4 wurde das Gehäuses 2 derart ausgebildet, dass die Anschlusselemente 4 darin vorfixiert sind. Hierzu werden in dem als ein rahmenartiges Kunststoffgehäuse ausgebildet Gehäuse 2 während des Kunststoff-Spritzgussverfahrens der Herstellung bereits die Anschlusselemente 4 angeordnet. Allerdings ist diese Anordnung dahingehend flexibel, dass die Anschlusselemente 4, genauer ein jeweiliger erster Verbindungsabschnitt 44, spritzgusstechnisch, also mittels einer formschlüssigen Verbindung, im Gehäuse 2 nur vorfixiert sind. Dies bedeutet, dass sich insbesondere die aus dem Gehäuse 2 herausragenden Kontaktabschnitte 42 der Anschlusselemente 4 senkrecht zu ihrer Längsrichtung, die hier gleich der Normalenrichtung N des Substrats 3 ist, bewegen - durch Pfeile dargestellt - können.
  • Im Anschluss an die Ausbildung des rahmenartigen Kunststoffgehäuses 2 mit den vorfixierten Anschlusselementen 4 wird die Schalteinrichtung 3 in oder an dem Gehäuse 2 angeordnet und die Anschlusselemente 4, genauer deren jeweiliger Fußabschnitt 40, werden mit Anschlussflächen 30 eines Substrats 32 der Schalteinrichtung 3 mechanisch und elektrisch leitend verbunden.
  • 1 zeigt den Beginn des Verfahrensschritts C), wobei eine Positioniereinrichtung 5 angeordnet wird. Die Positioniereinrichtung 5 weist je Anschlusselement 4 eine durchgehende Ausnehmung 52 auf. Die jeweilige Ausnehmung 52 weist auf ihrer dem Gehäuse 2 zugewandten Seite einen konusförmigen Abschnitt 54 auf. Die Ausnehmungen 52 selbst weisen eine erste Positionierfläche 56, oder eine Mehrzahl von ersten Positionierteilfläche 56 auf, an denen der Kontaktabschnitt 42 des Anschlusselements 4 zu liegen kommen soll und die gemeinsam mit der Ausnehmung 52 als solcher die Lage der Kontaktabschnitte 42 der Anschlusselemente 4 zueinander und hier auch zum Gehäuse 2 definieren. Hierzu ist die wiederverwendbare Positioniereinrichtung 5 und insbesondere die Lage der Ausnehmungen 52 in der notwendigen Präzision gefertigt.
  • 1 zeigt den Beginn der Anordnung der Positioniereinrichtung 5 zum Gehäuse 2 im Verfahrensschritt C). Hierbei werden die Kontaktabschnitte 42 zu deren Lagefixierung mittels des konusförmigen Abschnitts 54 in die dem jeweiligen Anschlusselement 4 zugeordneten Ausnehmungen 52 gefädelt. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt.
  • Nach der Anordnung der Positioniereinrichtung 5 im Verfahrensschritt C), dargestellt in 2, liegen die Kontaktabschnitte 42 derart an der ersten Positionierfläche 56 an, dass ihre vorher möglich Bewegungsmöglichkeit senkrecht zur Längsausdehnung auf das maximal erlaubte beschränkt wird.
  • 2 zeigt für ein, rechts dargestelltes, Anschlusselement 4 den Zustand vor dem Verfahrensschritt D). Hierbei ist in einer Ausnehmung 20 des Gehäuses 2 ein zweiter Verbindungsabschnitt 46, der den ersten Verbindungsabschnitt 44 mit dem Kontaktabschnitt 42 des Anschlusselements 4 verbindet, angeordnet. Unterhalb dieser Ausnehmung 20 ist das Anschlusselement 4 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 44, wie oben beschrieben, in das Gehäuse 2 eingespritzt, so dass der Kontaktabschnitt 42 und auch, in geringerem Umfang, der zweite Verbindungsabschnitt 46 in zwei orthogonale Raumrichtungen senkrecht zur Längsausdehnung, solange beweglich angeordnet war bis die Positioniereinrichtung 5 angeordnet wurde.
  • 2 zeigt weiterhin für ein, links dargestelltes, Anschlusselement 4 den abgeschlossenen Verfahrensschritt D). Hierbei wurde im Verfahrensschritt D) das Anschlusselement 4 relativ zum Gehäuse 2 und dem rechten Anschlusselement 4 bereits fixiert, indem eine adhäsive Masse 6 in die Ausnehmung 20 des Gehäuses 2 gefüllt wurde. Diese adhäsive Masse 6 kann beispielhaft als ein hochgefüllter Kunststoffklebstoff ausgebildet sein.
  • Im Anschluss an den Verfahrensschritt D) wird die Positioniereinrichtung 5 wieder entfernt. 3 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse 2, einer in diesem Gehäuse 2 angeordneten Schalteinrichtung 3 und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen 4, wobei die jeweiligen Anschlusselemente 4 einen ersten Verbindungsabschnitt 44 aufweisen, der formschlüssig in dem Gehäuse 2 angeordnet ist und einen zweiten Verbindungsabschnitt 46 aufweisen, der stoffschlüssig in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Kontaktabschnitte 42 der jeweiligen Anschlusselemente 4 sind nun in ihrer Lage zueinander und zum Gehäuse 2 ausreichend fixiert.
  • 4 zeigt einen Schritt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Substrat 3, die Anschlusselemente 4 und die Positioniereinrichtung 5 wie auch deren jeweiliges Zusammenwirken sind hier identisch wie unter 2 beschrieben.
  • Die Anordnung der Anschlusselemente 4 im Gehäuse 2 wie auch deren Beweglichkeit sind ebenfalls gleich. Allerdings weist das Gehäuse 2 am oberen Randbereich der Ausnehmung 20 in der der zweite Verbindungsabschnitt 46 angeordnet ist einen Verformungsabschnitt 22 auf. Dieser beschränkt nach dem Verfahrensschritt B) die Beweglichkeit des zweiten Verbindungsabschnitts 46 und des Kontaktabschnitts 42 des Anschlusselements 4 nicht oder zumindest nicht wesentlich, wie links dargestellt.
  • Im Rahmen des Verfahrensschritts D) wird dieser Verformungsabschnitt 22, der auch als eine Mehrzahl einzelner Teilverformungsabschnitte ausgebildet sein kann, derart, hier thermisch mittels eines beheizbaren Stempels verformt, so dass der Verformungsabschnitt 22 an dem zweiten Verbindungsabschnitt 46 anliegt und diesen, wie auch den Kontaktabschnitt 42 in der durch die Positioniereinrichtung 5 vorgegebenen Position fixiert.
  • 5 und 6 zeigen eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Substrat 3, das Gehäuse 2 und die Anschlusselemente 4 wie auch deren jeweiliges Zusammenwirken sind hier identisch wie unter 1 beschrieben.
  • Die Anordnung der Anschlusselemente 4 im Gehäuse 2 wie auch deren Beweglichkeit sind ebenfalls gleich. Allerdings weist die Positioniereinrichtung 5 am oberen Randbereich der Ausnehmung 50 auf, in der der zweite Verbindungsabschnitt 46 angeordnet ist. Entgegen der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, verbleibt hier die Positioniereinrichtung 5 nach dem Verfahrensschritt C) hier unmittelbar auf dem Gehäuse 2 und wird somit nicht entfernt. Die Positioniereinrichtung 5 bildet hier sogar einen Teil des Gehäuses 2 aus.
  • Während des Verfahrensschritts D) wird hier nicht, oder nicht nur die Ausnehmung des Gehäuses 2, sondern insbesondere die Ausnehmung 50 der Positioniereinrichtung 5 mit einer oben bereits beschriebenen adhäsiven Masse 6 gefüllt und damit die Lage des Anschlusselements 4, insbesondere dessen zweiter Verbindungsabschnitt 46 und auch dessen Kontaktabschnitt 42 in ihrer Lage fixiert.
  • 7 zeigt einen Schritt einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Substrat 3, das Gehäuse 2 und die Anschlusselemente 4 wie auch deren jeweiliges Zusammenwirken sind hier identisch wie unter 1 beschrieben.
  • Die Anordnung der Anschlusselemente 4 im Gehäuse 2 wie auch deren Beweglichkeit sind ebenfalls gleich. Allerdings weist die Positioniereinrichtung 5 am oberen Randbereich eine zweite Positionierfläche 58 auf, die an der Innenseite eines Positionierteilkörpers 580 angeordnet ist. Es können beispielhaft auch mehrere, vorzugsweise drei und vorzugsweise sternförmig angeordnete zweite Positionierteilflächen dieser Positionierfläche 58 ausbilden. Auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbleibt die Positioniereinrichtung 5 nach dem Verfahrensschritt C) auf, hier unmittelbar auf, dem Gehäuse 2 und wird somit nicht entfernt. Die Positioniereinrichtung 5 bildet hier wiederum einen Teil des Gehäuses 2 aus. Zudem fallen hier rein verfahrenstechnisch der Verfahrensschritt C) und der Verfahrensschritt D) in vereinfachender Weise zusammen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Gehäuse (2), einer in diesem Gehäuse (2) angeordneten Schalteinrichtung (3) und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen (4) mit folgenden Verfahrensschritten: A) Ausbilden eines Gehäuses (2) mit vorfixierten Anschlusselementen (4); B) Anordnen der Schalteinrichtung (3) in dem Gehäuse (2) und verbinden der Anschlusselemente (4) mit Anschlussflächen (30) eines Substrats der Schalteinrichtung (3); C) Anordnen einer Positioniereinrichtung (5) zur Lagefixierung der Anschlusselemente (4) zueinander; D) Fixieren der Anschlusselemente (4) relativ zueinander und zum Gehäuse (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anschlusselemente (4) jeweils einen Fuß- (40) und einen Kontaktabschnitt (42) aufweisen und wobei der jeweilige Fußabschnitt (40) im Verfahrensschritt B) mit einer zugeordneten Anschlussfläche (30) elektrisch leitend, mechanisch verbunden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die jeweiligen Kontaktabschnitte (42) zueinander, insbesondere senkrecht zu ihrer Längsrichtung, in eine Raumrichtung, oder bevorzugt zwei orthogonale Raumrichtungen, beweglich angeordnet sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) als ein Kunststoffgehäuse ausgebildet ist und die Anschlusselemente (4) spritzgusstechnisch darin vorfixiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Positioniereinrichtung (5) nach dem Verfahrensschritt D) entfernt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Positioniereinrichtung (5) nach dem Verfahrensschritt D) nicht entfernt wird und insbesondere einen Teil des Gehäuses (2) ausbildet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Anschlusselemente (4) mittels jeweils einer umlaufenden zweiten Positionierfläche (58) oder jeweils mittels einer Mehrzahl von zweiten Positionierteilflächen (58) jeweils angeordnet in oder an der jeweiligen Ausnehmung (52) der Positioniereinrichtung (5) in ihrer Lage fixiert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anschlusselemente (4) mittels einer adhäsiven Masse (6), die bevorzugt in Ausnehmungen (20,50) des Gehäuses (2) oder der Positioniereinrichtung (5) gefüllt wird in ihrer Lage fixiert werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anschlusselemente (4) durch Verformen eines Verformungsabschnitts (22) des Gehäuses (2) oder der Positioniereinrichtung (5) in ihrer Lage fixiert werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Anschlusselement in einer Raumrichtung fixiert wird indem eine erste Positionierfläche (56) oder einander gegenüberliegende erste Positionierteilflächen (56) des Positionierelements (5) während des Verfahrensschritts C) an dem Anschlusselement (4) bündig anliegen.
  11. Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse (2), einer in diesem Gehäuse (2) angeordneten Schalteinrichtung (3) und mit einer Mehrzahl von Anschlusselementen (4), wobei die jeweiligen Anschlusselemente (4) einen ersten Verbindungsabschnitt (44) aufweisen, der jeweils formschlüssig in dem Gehäuse (2) angeordnet ist und einen zweiten Verbindungsabschnitt (46) aufweisen, der stoffschlüssig oder kraftschlüssig in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
  12. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11, wobei die formschlüssige Verbindung als eine spritzgusstechnische Verbindung ausgebildet ist.
  13. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11 oder 12, wobei die stoffschlüssige Verbindung als eine Klebeverbindung ausgebildet ist, bei der die adhäsive Masse (6) in einer Ausnehmung (20) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
  14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11 oder 12, wobei die kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist als eine thermische Verformung eines Verformungsabschnitts (22) des Gehäuses (2).
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