DE19612514A1 - Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von Submodulen - Google Patents
Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von SubmodulenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektro
nik. Sie betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer Mehrzahl von Submo
dulen, welche nebeneinander auf einer gemeinsamen Bodenplatte angeordnet
und auf der Leistungsseite induktionsarm durch plattenförmige Leiter unter
einander elektrisch verbunden und von außen anschließbar sind.
Ein solches Leistungshalbleitermodul ist z. B. aus der EP-A1-O 597 144 be
kannt.
Hybrid aufgebaute Leistungshalbleitermodule, bei denen auf einer gemeinsa
men Grundplatte und in einem gemeinsamen Gehäuse eine Mehrzahl von
Einzelhalbleitern in Chip-Form nebeneinander angeordnet und untereinander
verbunden sind, sind seit langem bekannt (siehe auch die DE-PS-36 69 017).
Bei einem derartigen Modulaufbau sind verschiedene Anforderungen zu erfül
len. Zum einen müssen die Einzelhalbleiter zur guten Kühlung bei hohen Lei
stungen thermisch eng an die Außenseiten des Gehäuses angekoppelt sein.
Zum anderen müssen die elektrischen Verbindungen innerhalb des Gehäuses
und nach draußen für den Leistungsteil hohe Ströme tragen können und zu
gleich gegeneinander ausreichend beabstandet oder isoliert sein, um die teil
weise hohen Potentialdifferenzen ohne Spannungsüberschläge bewältigen zu
können. Weiterhin soll der Auf- und Zusammenbau des Moduls möglichst ein
fach und kostensparend sein. Schließlich wird es bei modernen schnellen Lei
stungshalbleitern mit kleinen Schaltzeiten, wie sie z. B. die IGBTs (Insulated
Gate Bipolar Transistors) darstellen, zunehmend wichtig, die elektrischen
Verbindungen und Anschlüsse induktionsarm auszuführen, um die grund
sätzlich möglichen hohen Stromanstiegszeiten der Halbleiterbaulemente im
Modul ausnützen zu können.
Um diese Anforderungen erfüllen zu können, ist in der eingangs genannten
Druckschrift bereits eine hybride leistungselektronische Anordnung vorge
schlagen worden, bei der zur Verbindung der Submodule untereinander und
zum Anschluß nach außen eine Stapelanordnung aus abwechselnd überein
ander geschichteten Isoliermaterialschichten und Leiterbahnschichten ver
wendet wird. Mit dieser Lösung lassen sich bei einfachem und kostengünsti
gem Aufbau und guter Funktionssicherheit sehr induktivitätsarme Module
realisieren.
Gleichwohl ist dieser bekannte Modulaufbau nicht ohne Probleme: im Bereich
der Submodule sind nämlich die Isolier- und Leiterlagen ausgespart, um eine
Bondierung der Submodule zur Umgebung zu ermöglichen (Fig. 4, 5). Die Iso
lier- und Leiterlagen sind deshalb in Form einer Gitterstruktur ausgebildet,
wobei die Stege der Struktur zwischen den Submodulen zu liegen kommen.
Eine Folge davon ist, daß für die plattenförmige Verdrahtung zusätzliche Flä
che bereitgestellt werden muß. Aus diesem Grund benötigen Module dieser
Art größere Flächen als andere Module, deren Anschlüsse üblicherweise
senkrecht von den Submodulen aus nach oben gehen und zum Anschluß auf
der Moduloberseite führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul zu schaf
fen, bei welchem unter Beibehaltung des Vorteils der geringen inneren In
duktivität sowie des breiten niederinduktiven Anschlusses nach außen der
Nachteil eines Flächenverlustes vermieden wird.
Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß die plattenförmigen Leiter jeweils auf Ebenen ober
halb der Submodule freitragend angeordnet sind, welche Ebenen untereinan
der und von den Submodulen einen für die elektrisch Isolierung ausreichen
den vertikalen Abstand aufweisen, und daß die plattenförmigen Leiter über
zusätzliche, vertikale Leitungselemente mit den einzelnen Submodulen elek
trisch verbunden sind. Durch die freitragende Anordnung der breiten platten
förmigen Leiter über den Submodulen ist es möglich, die Submodule dicht ge
packt nebeneinander auf der Bodenplatte anzuordnen. Hierdurch wird die für
das Modul insgesamt benötigte Grundfläche verkleinert, ohne daß die mit den
breiten Leitern verbundene geringe innere Induktivität und der breite niede
rinduktive Anschluß aufgegeben oder verschlechtert werden müssen.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungs
halbleitermoduls zeichnet sich dadurch aus, daß die vertikalen Leitungsele
mente aus mehrfach, vorzugsweise rechtwinklig gebogenen Blechstreifen be
stehen, und daß die vertikalen Leitungselemente derart gebogen sind, daß
sie eine thermisch bedingte Ausdehnung der Submodule bzw. der Bodenplatte
parallel zur Ebene der Bodenplatte ausgleichen können. Hierdurch wird bei
geringer Induktivität eine hohe Wechsellastfestigkeit erreicht. Zugleich lassen
sich durch den Einsatz der Blechstreifen sämtliche Verbindungen zwischen
den Submodulen und den äußeren Anschlüssen als Lötverbindungen ausfüh
ren, so daß gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die vertika
len Leitungselemente mit den plattenförmigen Leitern und den Submodulen
verlötet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Moduls nach der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren der plattenförmigen Leiter mit
Durchbrüchen versehen sind, durch welche die vertikalen Leitungselemente
für die Verbindung von den Submodulen zu den darüberliegenden platten
förmigen Leitern hindurchgeführt sind. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau
erreicht, der induktionsarm und zugleich platzsparend ist.
Teilentladungsprobleme zwischen den auf verschiedenem Potential liegenden
plattenförmigen Leitern werden dadurch sicher vermieden, wenn gemäß ei
ner weiteren Ausführungsform die Submodule mit den zugehörigen platten
förmigen Leitern und vertikalen Leitungselementen in einem Gehäuse ange
ordnet und mit einer elektrisch isolierenden Masse vergossen sind.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zu
sammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel für ein
Submodul, welches in einem Leistungshalbleitermodul nach
der Erfindung Verwendung findet;
Fig. 2 das Submodul aus Fig. 1 mit einem vertikalen Leitungsele
ment in Form eines Emitter-Clip;
Fig. 3 in der Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Leistungshalbleitermoduls mit 9 auf einer Bodenplatte
angeordneten Submodulen (ohne Leistungsverbindungen und
Anschlüsse);
Fig. 4 in perspektivischer Ansicht das Modul aus Fig. 3 mit vertika
len Leitungselementen in Form von Kollektor-Clips;
Fig. 5 in der Draufsicht die Anordnung der Emitter-Clips für ein Mo
dul nach Fig. 3 bzw. 4 und einer beispielhaften Kollektorplatte
zur Verbindung mit den Kollektor-Clips aus Fig. 4;
Fig. 6 in der Draufsicht die Anordnung aus Fig. 5 mit einer zusätzli
chen beispielhaften Emitterplatte, welche die Kollektorplatte
teilweise überdeckt und mit den Emitter-Clips verbunden ist;
und
Fig. 7 in einer schematischen Seitenansicht die Anordnung der Emit
ter-Clips, der Kollektor-Clips, der Kollektorplatte und der
Emitterplatte eines Moduls gemäß Fig. 6.
In Fig. 3 ist das Grundschema eines Ausführungsbeispiels für ein Leistungs
halbleitermodul 34 nach der Erfindung in der Draufsicht dargestellt. Auf ei
ner gemeinsamen Bodenplatte 35, die am Rande mit Befestigungslöchern 36
ausgestattet ist, ist eine Mehrzahl von - in diesem Beispiel neun - Submodulen
dicht gepackt nebeneinander angeordnet. Der Einfachheit halber sind nur die
drei untersten Submodule mit Bezugszeichen 37a, 37b und 37c versehen. Der
Aufbau eines einzelnen Submoduls ist beispielhaft in Fig. 1 wiedergegeben.
Das Submodul 10 umfaßt ein (keramisches) Substrat 11, welches auf einer
Seite (der Oberseite) mit einer großflächigen Metallisierung 12 bedeckt ist.
Die Metallisierung 12 ist durchgehend und weist keine Leiterbahnstrukturen
auf. Sie dient zur Aufnahme der Leistungshalbleiterchips und der Laschen für
die unterseitige Chipkontaktierung.
Im Beispiel der Fig. 1 sind auf dem Substrat 11 zwei IGBTs 13, 16 und zwei
Dioden 14, 15 untergebracht. Der Kollektor der IGBTs 13, 16 befindet sich auf
der Unterseite der zugehörigen Chips und kann über die lötbare Metallisie
rung 12 des Submoduls 10 angeschlossen werden. Dazu sind neben den Di
oden 14, 15 jeweils Flächen auf der Metallisierung 12 freigelassen, auf die
entsprechende vertikale Leitungselemente aufgelötet werden können (Fig. 4).
Dasselbe gilt für die Kathoden der Dioden 14, 15. Auf den Oberseiten der
Chips sind bei den IGBTs 13, 16 die Emitter, und bei den Dioden 14, 15 die
Anoden angeordnet. Zu Anschlußzwecken ist jeweils eine Metallscheibe 17,
19 bzw. 18, 20 aufgelötet (In Fig. 3 sind nur die Metallscheiben des Submoduls
37a eingezeichnet). Die Gates 21, 22 der IGBTs 13, 16 befinden sich ebenfalls
auf der Oberseite der Chips. Sie sind über gelötete Gate-Clips 23, 24 mit ent
sprechenden Gatewiderständen 27, 28 verbunden, die auf einem gemeinsamen
Gateblock oder Gaterunner 25 angeordnet sind und dort zusammenlaufen.
Der längliche Gaterunner 25 liegt zwischen den Chips ebenfalls auf dem
Substrat 11 des Submoduls und besteht aus einem mit einer Metallisierung 26
bedeckten Substrat. Der Anschluß der Gates 21, 22 wird vom Gaterunner 25
aus mit einem aufgelöteten Anschlußdraht 29 nach oben geführt.
Alle IGBT-Emitter und Dioden-Anoden eines Submoduls sind untereinander
kurzgeschlossen und gemeinsam zu Anschlußzwecken nach oben geführt. Da
zu ist gemäß Fig. 2 pro Submodul 10 ein Emitter-Clip 31 vorgesehen. Der
Emitter-Clip 31 besteht aus einem Blechstreifen, der U-förmig gebogen ist. Die
Schenkel des U-förmigen Grundkörpers sind an ihren Enden rechtwinklig
nach außen abgebogen und gehen jeweils in eine horizontal liegende erste
Lasche 32a, b über. Die Abmessungen sind dabei so gewählt, daß das auf dem
Kopf stehende U den Gaterunner 25 und die Gate-Clips 23, 24 frei überspannt
und die ersten Laschen 32a, b jeweils zwischen den Metallscheiben 17 und 20
bzw. 18 und 19 eines IGBTs 13 bzw. 16 und der benachbarten Diode 14 bzw.
15 verlaufen. An den Querseiten der ersten Laschen 32a, b sind durch zweifa
ches rechtwinkliges Abbiegen zweite Laschen 33a, b gebildet, mit denen der
Emitter-Clip 31 auf die Metallscheiben 17-20 der Halbleiterchips aufgelötet
ist.
Mit Hilfe des Emitter-Clips 31 entsteht über den Submodulen ein höhergele
genes Niveau für den Anschluß (die Verlötung) der Emitter/Anoden mit ei
nem Sammelblech (Emitterplatte 43 in Fig. 6, 7), d. h. einer darüber angeord
neten Emitterlage. Durch das Abbiegen der ersten und zweiten Laschen 32a, b
und 33a, b in zueinander senkrecht stehenden Richtungen entstehen Bie
ge/Dehnungsbögen, die es erlauben, die unterschiedlichsten thermischen Aus
dehnungen der Clips, der Keramik, der Halbleiterchips und der anderen Bau
teile des Moduls in zwei zueinander senkrechten stehenden Richtungen aus
zugleichen. Die auf den Gaterunner 25 aufgelöteten Gate-Clips 23, 24 sind
aufgrund ihrer geringen Breite und ihrer Länge in allen Richtungen leicht
biegbar.
Der Anschluß der Kollektoren/Kathoden und deren Verbindung mit einer hö
hergelegenen Kollektorebene erfolgt gemäß Fig. 4 über Kollektor-Clips 38a, b.
Die Kollektor-Clips 38a, b bestehen aus länglichen Blechstreifen, an deren
Längsseiten alternierend Gruppen von dritten Laschen 39 zweifach recht
winklig abgebogen sind. Die dritten Laschen 39 bilden Lötfüße, mit denen die
Kollektor-Clips 38a, b auf die freien Flächen der Metallisierung der einzelnen
Submodule gelötet sind. Durch das Abbiegen der dritten Laschen 39 und die
Unterteilung in schmale Segmente ist auch bei den Kollektor-Clips 38a, b ge
währleistet, daß thermische Ausdehnungen in zwei unabhängigen Raumrich
tungen zuverlässig ausgeglichen werden.
Die Kollektor-Clips 38a, b sind jeweils zwischen zwei Dreierreihen von Submo
dulen angeordnet und verbinden diese Dreierreihen untereinander. Sie sind
untereinander auf der höhergelegenen Kollektorebene gemäß Fig. 5 mittels
einer Kollektorplatte 40 verbunden, die auf den Kollektor-Clips 38a, b aufliegt
und mit diesen verlötet ist. Da die Kollektorebene tiefer liegt als die Emitter
ebene, sind in der Kollektorplatte 40 Durchbrüche 41a-c vorgesehen, durch
welche hindurch die Emitter-Clips 42a-c der darunterliegenden Submodule in
die höhergelegene Emitterebene reichen können. Die neun Emitter-Clips (Fig.
5) der neun Submodule werden auf der Emitterebene gemäß Fig. 6 mittels
einer durchgehenden Emitterplatte 43 verbunden, die auf den Emitter-Clips
aufliegt und mit diesen verlötet ist.
Der Aufbau der Verbindungen und Anschlüsse mit den verschiedenen Ebenen
ist besonders gut in der Seitenansicht der Fig. 7 zu sehen. Das Plattenpaket
40, 43 besteht nicht - wie bei dem bekannten Modul aus der eingangs zitierten
Druckschrift - aus Isolier- und Metallagen, sondern nur aus Metallagen. Diese
Metallagen sind über den Submodulen angeordnet. Die Metallagen haben un
tereinander und zu den Submodulen ausreichend vertikalen Abstand, um
nach dem Vergiessen eine hinreichend große Spannung isolieren zu können.
Da Isolierlagen vermieden werden, sind auch die mit der zugehörigen Klebe
technik verbundenen Teilentladungsprobleme vermieden. Der offene Metall
stapel 40, 43 wird (in einem Gehäuse) vergossen und vor dem Aushärten des
Vergusses evakuiert, damit jegliche Luftblasen vermieden werden und der
Stapel teilentladungsfrei wird. Durch die spezielle Ausgestaltung der vertika
len Verbindungselemente 31, 38a, b und 42a, b mit ihren Biege/Dehnungsbögen
und den verschiedenen Laschen 32a, b, 33a, b und 39 ist sichergestellt, daß die
Lötstellen zwischen den Platten 40, 43 und den Submodulen quasi frei von
mechanischen Spannungen bleiben und keine Alterung durchmachen.
Der Anschluß der IGBT-Gates erfolgt - wie bereits erwähnt - über nach oben
geführte Anschlußdrähte 29. Zu diesem Zweck sind sowohl in den einzelnen
Emitter-Clips 31 als auch in der Emitterplatte 43 Durchgangslöcher 30 (Fig.
2) bzw. Gatedurchführungen 44 (Fig. 6) vorgesehen. Der äußere Anschluß
der Emitter und Kollektoren erfolgt gemäß Fig. 7 zweckmäßigerweise über
Außenanschlüsse 45, 46, die an der Kollektorplatte 40 bzw. der Emitterplatte
43 angeformt sind.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Leistungshalbleitermodul, daß
bei geringer Induktivität m Inneren und den Zuleitungen wenig Platz bean
sprucht, leicht aufzubauen ist und eine hohe Wechsellastfestigkeit aufweist.
Bezugszeichenliste
10 Submodul
11 Substrat
12 Metallisierung
13, 16 IGBT
14, 15 Diode
17-20 Metallscheibe
21, 22 Gate (IGBT)
23, 24 Gate-Clip
25 Gaterunner
26 Metallisierung (Gaterunner)
27, 28 Gatewiderstand
29 Anschlußdraht (Gate)
30 Durchgangsloch
31 Emitter-Clip
32a, b Lasche (Dehnungsausgleich in y-Richtung)
33a, b Lasche (Dehnungsausgleich in x-Richtung)
34 Leistungshalbleitermodul
35 Bodenplatte
36 Befestigungsloch
37a-c Submodul
38a, b Kollektor-Clip
39 Lasche
40 Kollektorplatte
41a-c Durchbruch (Emitter-Clip)
42a-c Emitter-Clip
43 Emitterplatte
44 Gatedurchführung
45, 46 Außenanschluß
11 Substrat
12 Metallisierung
13, 16 IGBT
14, 15 Diode
17-20 Metallscheibe
21, 22 Gate (IGBT)
23, 24 Gate-Clip
25 Gaterunner
26 Metallisierung (Gaterunner)
27, 28 Gatewiderstand
29 Anschlußdraht (Gate)
30 Durchgangsloch
31 Emitter-Clip
32a, b Lasche (Dehnungsausgleich in y-Richtung)
33a, b Lasche (Dehnungsausgleich in x-Richtung)
34 Leistungshalbleitermodul
35 Bodenplatte
36 Befestigungsloch
37a-c Submodul
38a, b Kollektor-Clip
39 Lasche
40 Kollektorplatte
41a-c Durchbruch (Emitter-Clip)
42a-c Emitter-Clip
43 Emitterplatte
44 Gatedurchführung
45, 46 Außenanschluß
Claims (11)
1. Leistungshalbleitermodul (34) mit einer Mehrzahl von Submodu
len (10, 37a-c), welche nebeneinander auf einer gemeinsamen Bodenplatte (35)
angeordnet und auf der Leistungsseite induktionsarm durch plattenförmige
Leiter untereinander elektrisch verbunden und von außen anschließbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Leiter (40, 43) jeweils auf
Ebenen oberhalb der Submodule (10, 37a-c) freitragend angeordnet sind, wel
che Ebenen untereinander und von den Submodulen (10, 37a-c) einen für die
elektrisch Isolierung ausreichenden vertikalen Abstand aufweisen, und daß
die plattenförmigen Leiter (40, 43) über zusätzliche, vertikale Leitungsele
mente (31, 38a, b, 42a-c) mit den einzelnen Submodulen (10, 37a-c) elektrisch
verbunden sind.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die vertikalen Leitungselemente (31, 38a, b, 42a-c) aus mehrfach,
vorzugsweise rechtwinklig gebogenen Blechstreifen bestehen.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die vertikalen Leitungselemente (31, 38a, b, 42a-c) derart gebogen
sind, daß sie eine thermisch bedingte Ausdehnung der Submodule (10, 37a-c)
bzw. der Bodenplatte (35) parallel zur Ebene der Bodenplatte (35) ausgleichen
können.
4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 und 3, da
durch gekennzeichnet, daß die vertikalen Leitungselemente (31, 38a, b, 42a-c)
mit den plattenförmigen Leitern (40, 43) und den Submodulen (10, 37a-c)
verlötet sind.
5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die mittleren (40) der plattenförmigen Leiter (40,
43) mit Durchbrüchen (41a-c) versehen sind, durch welche die vertikalen Lei
tungselemente (31, 42a-c) für die Verbindung von den Submodulen (10, 37a-c)
zu den darüberliegenden plattenförmigen Leitern (43) hindurchgeführt sind.
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Submodule (10, 37a-c) mit den zugehörigen
plattenförmigen Leitern (40, 43) und vertikalen Leitungselementen (31, 38a, b,
42a-c) in einem Gehäuse angeordnet und mit einer elektrisch isolierenden
Masse vergossen sind.
7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Submodule (10, 37a-c) dicht gepackt auf der
Bodenplatte (35) angeordnet sind.
8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß jedes Submodul (10, 37a-c) ein isolierendes, vor
zugsweise aus einer Keramik bestehendes Substrat (11) aufweist, welches auf
der Oberseite mit einer Metallisierung (12) versehen ist, und daß auf der Me
tallisierung (12) eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern (13, 14, 15, 16) in
Chip-Form angeordnet und auf ihrer Unterseite mit der Metallisierung (12)
elektrisch leitend verbunden sind.
9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß wenigstens zwei der Leistungshalbleiter (13, 14, 15, 16) eines Sub
moduls (10, 37a-c) jeweils über ein Gate (21, 22) steuerbar sind, und daß die
Gates (21, 22) an einen gemeinsamen Gateblock oder Gaterunner (25) ange
schlossen sind, welcher zwischen den Leistungshalbleitern (13, 14, 15, 16) auf
dem Substrat (11, 12) angeordnet und von außen anschließbar ist.
10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Anschluß der Gates (21, 22) an den Gateblock oder Ga
terunner (25) über einzelne, auf dem Gateblock oder Gaterunner (25) ange
ordnete Gatewiderstände (28, 29) erfolgt.
11. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 9 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die über ein Gate (21, 22) steuerbaren Lei
stungshalbleiter (13, 16) als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und
die übrigen Leistungshalbleiter als Dioden (14, 15) ausgebildet sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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BR9701508A BR9701508A (pt) | 1996-03-29 | 1997-03-26 | Sensor de vibrações e processo para sua fabricação |
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ID=24246354
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