DE19834800C1 - Heavy duty semiconductor switch - Google Patents

Heavy duty semiconductor switch

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Abstract

Heavy duty semiconductor switch consists of an insulating ceramic (10) with structured contact surfaces (12) and a semiconductor element (11) and connectors (9) soldered to the contact surfaces (12). A housing with a pressure element is present which is suitable for pressure contact construction. The pressure element is formed as a lid or bridge element and consists of a composite material made of a bimetal (6, 7) with a plastic sleeve (1).

Description

Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung, insbesondere in der Form von Stromrichtern der Leistungsklasse, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, die in ihrer Ausführung zumindest teilweise für Druckkontaktaufbauten geeignet ist. Druckkontaktverbindungen sind aus der Technologie der Herstellung von Halbleitermodulen bzw. -schaltungen als Verbindungstechnik hinlänglich bekannt.The invention describes a power semiconductor circuit arrangement, in particular in the Form of power converter, according to the preamble of claim 1, which in their execution is at least partially suitable for pressure contact structures. Pressure contact connections are from the technology of manufacturing semiconductor modules or circuits well known as connection technology.

Die Kontaktsicherheit von Druckkontaktaufbauten ist bei Dauer- oder Wechsellastbetrieb von entscheidender Bedeutung für die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung. Alle äußeren Anschlüsse müssen bei wechselnden thermischen und elektrischen Belastungen immer einen sicheren Kontakt zu den internen Kontaktstellen aller Anschlüsse der Schaltungsanordnung gewährleisten. Bei formschlüssigen Kontakten wird durch das Erlahmen der Druckkräfte eine Funktionsstörung des gesamten Aufbaus in realer Zeit verursacht. Zur Erzielung einer höheren Lebensdauer sind aus der Literatur zu dieser Problematik viele Bemühungen durch deren Beschreibungen bekannt. Um das Erreichen einer unbegrenzten Lebensdauer wird gerungen.The contact reliability of pressure contact assemblies is in the case of continuous or alternating load operation crucial for the functional reliability of the circuit arrangement. All outer Connections must always be one with changing thermal and electrical loads Secure contact to the internal contact points of all connections of the circuit arrangement guarantee. In the case of form-fitting contacts, the pressure forces reduce one Malfunction of the entire structure caused in real time. To achieve a higher Longevity are many efforts from the literature on this problem through their Descriptions known. There is a struggle to achieve an unlimited lifespan.

Die Technologie der Druckkontaktierung ist, bedingt durch die Erfordernisse der Hermetisierung gegenüber der Atmosphäre, wiederholt Gegenstand der beschriebenen Forschung durch Schaffen aller Voraussetzungen für eine praktizierbare Technik gewesen. The technology of pressure contacting is determined by the requirements of Hermetization to the atmosphere, repeated subject of the described Research by creating all the prerequisites for a practicable technique.  

In DE 35 08 456 A1 wird ein Druckkontaktaufbau und dessen Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleitermodulen beschrieben. Durch justierte Verschraubungen wird die in dem Gehäuse vorhandene innere Spannkraft zum Drücken der Isolierkeramik bzw. der Leistungshalbleiter auf die Kühlfläche herangezogen. Das Nachlassen der Spannkraft des Gehäuses als Element des Druckaufbaues spricht gegen eine lange Lebensdauer der so aufgebauten Module, da hier kein weiterer Druckenergiespeicher vorgesehen ist.DE 35 08 456 A1 describes a pressure contact structure and its method for producing Power semiconductor modules described. The screw connections in the Housing existing internal clamping force for pressing the insulating ceramic or Power semiconductors used on the cooling surface. The easing of the tension of the Housing as an element of the pressure build-up speaks against a long lifespan of the like built modules, since no further pressure energy storage is provided here.

In DE 41 22 428 A1 wird ein als Druckspeicher fungierendes Kissenelement in die Schaltungs­ anordnung eingebaut. Dieses Kissenelement liegt auf einem Brückenelement, das die schaltungsinternen Bauteile fixiert und drückt. Die mechanische Stabilität des Brückenelementes wird durch eine Druckplatte oberhalb des Kissenelementes erzeugt, wobei deren Verschraubung mit dem Kühlelement einen statischen Druck aufbaut. Durch diese Dreifachkombination wird eine aufwendige, aber funktionell sehr gut arbeitende Lösung erzielt, ein Erlahmen des Kissenelementes als Druckspeicher ist im Langzeitverhalten möglich.In DE 41 22 428 A1, a cushion element functioning as a pressure accumulator is incorporated into the circuit arrangement installed. This pillow element lies on a bridge element, which the internal components fixed and pressed. The mechanical stability of the Bridge element is generated by a pressure plate above the cushion element, whereby whose screw connection with the cooling element builds up a static pressure. Through this Triple combination becomes a complex, but functionally very well working solution achieved, a slackening of the cushion element as a pressure accumulator is possible in the long-term behavior.

In DE 195 31 496 C1 wird ein druckgebendes Gehäuse mit gleichartig ausgebildeten Drucklippen vorgestellt, wodurch bei Beachtung der übrigen Aufbauvorschriften eine gleichartige Druckverteilung auf alle Verlustwärme erzeugenden Bauteile des Moduls gegeben ist, dabei wird jedes einzelne Bauteil federnd gedrückt. Für sehr große Flächendrücke ist eine solche Drucklippenfederung jedoch nicht geeignet.DE 195 31 496 C1 uses a pressure-generating housing similarly designed pressure lips are presented, which, if the other is observed Construction regulations a uniform pressure distribution on all heat losses Components of the module is given, each individual component is pressed resiliently. For a lot However, such pressure lip suspension is not suitable for large surface pressures.

Aus DE 196 30 173 A1 ist ein Leistungsmodul bekannt, das bei Druckkontaktausführung mindestens aller Last- und Steueranschlüsse mittels Druckkontaktfedern durch Befestigen auf Kühlkörper elektrisch verbunden und mechanisch unter Druck gesetzt werden, wobei dort auf ein Gehäuse ein Druckstück aufgesetzt wird, um eine gute Druckverteilung an allen Kontaktstellen zu erhalten.A power module is known from DE 196 30 173 A1 which is designed for pressure contacts at least all load and control connections by means of pressure contact springs by fastening Heatsinks are electrically connected and mechanically pressurized, being there on A housing is fitted with a pressure piece to ensure good pressure distribution at all Get contact points.

Aus DE 195 30 264 A1 ist weiterhin ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem Kontaktstempel als Verbindungselemente zwischen den Halbleiterchips und den äußeren Anschlußverbindungen eingesetzt werden. Der Druck jedes einzelnen Kontaktstempels wird mittels einer Feder oder über eine Lotschicht individuell eingestellt. Dieses für Leistungsdioden oder Thyristoren geeignete Modul verfügt über einen elektrisch leitende oberen Verschluß.From DE 195 30 264 A1 a power semiconductor module is also known in which Contact stamps as connecting elements between the semiconductor chips and the outer Connection connections are used. The printing of each contact stamp is done individually adjusted using a spring or a solder layer. This for power diodes or suitable thyristor module has an electrically conductive top closure.

Andere Bauformen solcher bekannten Leistungshalbleiteraufbauten besitzen druckkontaktierte und in Isoliermasse eingeschlossene und dadurch fixierte Anschlüsse. Das starre Einbetten von druckkontaktierten Anschlüssen erfordert dauerelastische Druckausgleichsbögen unterhalb der starren Hartvergußmasse, was den Nachteil einer relativ großen Störanfälligkeit in sich birgt und nur durch Minderung der konstruktiv möglichen Leistung ausgeglichen werden kann. Das teilweise oder vollständige Einbetten von Federstahl in Kunststoff ist eine weitere in der Literatur beschriebene Ausführungsform von Druckelementen. Der Federstahl oder andere Legierungen (wie Kupfer mit Beryllium) ermöglichen größere Druckbelastungen auf die zu drückenden Flächen, ein Erlahmen der Federkraft ist jedoch auch hier nicht ausgeschlossen. Other designs of such known power semiconductor structures have pressure-contacted ones and connections enclosed in insulating compound and thereby fixed. The rigid embedding of Pressure-contacted connections require permanently elastic pressure compensation bends below the rigid casting compound, which has the disadvantage of a relatively high susceptibility to failure and can only be compensated for by reducing the design performance. The partially or completely embedding spring steel in plastic is another in the Literature described embodiment of printing elements. The spring steel or others Alloys (such as copper with beryllium) allow greater pressure loads on the pressing surfaces, a weakening of the spring force is also not excluded here.  

DE 196 51 632 A1 beschreibt eine Methode der Herstellung eines Drucks auf erforderliche Stellen eines Schaltungsaufbaus in Druckkontaktausführung. Durch den Einsatz von Dehnschrauben wird ein in Grenzen konstant gehaltener Druck bei allen unterschiedlichen thermischen Betriebsbedingungen im inneren Aufbau aufrechterhalten, wodurch eine unbegrenzte Lebensdauer bezüglich eines konstanten Drucks erwartet werden kann.DE 196 51 632 A1 describes a method of producing a print on required Setting up a circuit structure in a pressure contact version. Through the use of Expansion screws become a constant pressure within all different maintain thermal operating conditions in the internal structure, thereby creating a unlimited life in terms of constant pressure can be expected.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung in mindestens teilweiser Druckkontaktausführung mit hoher Lebensdauer und Zuverlässigkeit vorzustellen, die eine Druckanpassung aller internen Kontaktstellen in allen Betriebszuständen mit einem eingestellten Anpreßdruck dynamisch aufrechterhält und dadurch eine sehr hohe Leistungsbereitschaft bei maximaler Zuverlässigkeit garantiert.This invention is based on the object of a power semiconductor circuit arrangement at least partial pressure contact design with long service life and reliability to introduce a pressure adjustment of all internal contact points in all operating states maintained dynamically with a set contact pressure and thus a very high one Willingness to perform with maximum reliability guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the measures of the characterizing part of the Claim 1 solved, preferred further developments are described in the subclaims.

Die Grenzen der möglichen Leistungsdichte einer Leistungshalbleiterschaltungsanordnung für Stromumrichter in Druckkontaktausführung wurden und werden durch die dauerhafte und gleichförmige Funktionssicherheit der kontaktierten Leistungshalbleiterbauelemente bzw. der daraus aufgebauten Modulplättchen mit den äußeren Starkstromanschlüssen bestimmt.The limits of the possible power density of a power semiconductor circuit arrangement for Current converters in pressure contact design have been and will be by the permanent and Uniform functional reliability of the contacted power semiconductor components or the module plates made from it with the external high-voltage connections determined.

Das Für und Wider von stoff- oder formschlüssigen großflächigen Kontakten ist vielfach in der Literatur beschrieben worden. Durch Löten hergestellte stoffschlüssige Kontakte altern bei Wechselbelastung der Leistungshalbleiterschaltungsanordnungen bis hin zu deren Zerstörung, besitzen also durch die Überbestimmung der Kontaktierungen wegen des löttechnischen Zusammenfügens von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten eine begrenzte Lebensdauer, die durch den sich an diesen Stellen häufig aufbauenden Wechsel der Temperaturen bedingt sind.The pros and cons of material or form-fitting large-area contacts is often in the Literature has been described. Solid contacts made by soldering age at Alternating loading of the power semiconductor circuit arrangements up to their destruction, therefore have through the over-determination of the contacts because of the soldering Joining materials with different expansion coefficients limited lifespan, which is caused by the frequent changes in these areas Temperatures.

Eine einfache und zerstörungsfrei wiederholbare Kontaktierung ist für Bauteile und Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse zu bevorzugen. A simple and non-destructive repeatable contact is for components and Preferred circuit arrangements of the performance class.  

Zerstörungsfrei lösbare Kontaktierungen können nach heutigem Stand der Technik praktikabel nur formschlüssig hergestellt werden. Bei dieser Verbindungstechnik müssen für eine Schaltungseinheit sichere Kontakte gegeben sein. Sichere Druckkontakte verlangen in jedem Betriebszustand eine definierte und immer in vorgegebenen Grenzen gehaltene Andrückkraft zur Vermeidung von überhöhten elektrischen und thermischen Übergangswiderständen einerseits oder Druckdeformierungen andererseits.According to the current state of the art, non-destructive contacts can be made practical can only be produced with a positive fit. With this connection technology for a Circuit unit safe contacts are given. Secure pressure contacts demand in everyone Operating state a defined pressing force that is always kept within predetermined limits to avoid excessive electrical and thermal contact resistance on the one hand or pressure deformations on the other.

Einerseits werden elektrisch sichere Kontakte an allen Kontaktstellen benötigt, es muß bei der Montage folglich ein gleichmäßiger Druckaufbau erreicht werden, also eine gute Druckvertei­ lung in allen Druckkontaktstellen erfolgen. Andererseits muß bei Verwendung von federnden Verbindungen an jeder einzelnen Kontaktstelle für ein dynamisches Verhalten der einzelnen gedrückten Kontaktstellen und der Druckkontaktelemente bei von einander unterschiedlicher thermischer und elektrischer Belastung gesorgt werden. Die Alterung der Druckkontakt­ elemente muß vermieden werden, das wird durch den erfinderischen Aufbau realisiert.On the one hand, electrically safe contacts are required at all contact points Installation consequently a uniform pressure build-up can be achieved, i.e. a good pressure distribution in all pressure contact points. On the other hand, when using resilient Connections at each contact point for dynamic behavior of the individual pressed contact points and the pressure contact elements when different from each other thermal and electrical stress. The aging of the pressure contact elements must be avoided, this is realized by the inventive structure.

Weiterhin muß der Widerspruch zwischen dem plastischen Verhalten des wegen seiner elektrischen Isolierfähigkeit aus Kunststoff hergestellten druckgebenden Gehäuses oder Brückenelementes insbesondere bei wechselnder Temperaturbelastung und der elektrisch leitenden Materialien mit deren elastischen Eigenschaften gelöst werden.Furthermore, the contradiction between the plastic behavior of the because of its electrical insulating ability made of plastic pressure-producing housing or Bridge element especially with changing temperature loads and electrically conductive materials with their elastic properties can be solved.

Die Kombination beider Werkstoffe bringt eine zielgerichtete Lösung des Problems. Dabei wird die einfache Kombination das Umspritzen von metallischen Materialien als Stand der Technik angesehen, denn diese Technologie wird verbreitet in vielen Produkten realisiert.The combination of both materials brings a targeted solution to the problem. Here the simple combination is the encapsulation of metallic materials as state of the art Technology viewed because this technology is widely used in many products.

Die vorliegende Erfindung setzt Bimetall als metallische Komponente ein, die mit Kunststoff umhüllt wird. Die Formgebung des Bimetalls ist aufgabenbezogen sehr vielfältig. Eine auf das Gehäuse, bzw. das druckgebende Brückenelement, bezogene flächige oder partielle Formgebung mit profilierten Metallfiguren und Durchbrüchen für ein bündiges Umschließen mittels Kunststoff sind stanztechnisch kostengünstig herstellbar und für den Einsatz in Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse von großem Vorteil. The present invention uses bimetal as a metallic component with plastic is enveloped. The shape of the bimetal is very varied depending on the task. One on that Housing, or the pressure-generating bridge element, covered flat or partial Shape with profiled metal figures and openings for a flush enclosure by means of plastic, stamping technology is inexpensive to manufacture and for use in Circuit arrangements of the performance class of great advantage.  

Das Bimetall erhält verteilhafterweise dreidimensionale Ausformungen, wodurch sich die flächige Stabilität erhöht und es erhält Noppen und Nasen zur stabilen formschlüssigen Verbindung mit dem Kunststoff. Als Kunststoff haben sich organische Polymere mit einem relativ hohen Anteil von Füllstoffen in der Praxis bestens bewährt. Dabei wird die Wahl des Kunststoffes von dessen elektrischer Isolierfähigkeit und mechanischer Dauerbeständigkeit gegen äußere Einflüsse neben den wirtschaftlichen Aspekten bestimmt. Der Kunststoff darf in seinen Eigenschaften nur minimale inbesondere druckbedingte Veränderungen aufweisen.The bimetal distributes three-dimensional formations, whereby The flat stability increases and it receives nubs and noses for a stable form-fitting Connection with the plastic. Organic polymers with a Relatively high proportion of fillers has proven itself in practice. The choice of Plastic with its electrical insulation and mechanical durability against external influences in addition to the economic aspects. The plastic may be in its properties show only minimal changes due to pressure in particular.

Durch den Einsatz dieses Verbundmaterials ist sichergestellt, daß die Druckkon­ taktierung bei Dauer- oder Wechselbelastung über die gesamte Betriebszeit der Anordnung nicht nennenswert ermüdet. Dabei muß das Bimetall in der Konstruktion so gewählt und geformt sein, daß alle gedrückten Aufbauelemente gleichartig mit dem vorgegebenen Druck beaufschlagt werden.The use of this composite material ensures that the pressure con Clocking with permanent or alternating loads over the entire operating time of the arrangement not significantly tired. The bimetal must be chosen in the construction and be shaped so that all the pressed structural elements are the same with the predetermined pressure be charged.

Das Bimetall muß in seinem inneren Aufbau so gestaltet sein, daß bei temperaturmäßiger Wechselbelastung die durch Erweichen des Kunststoffes bei höherer Temperatur nachlassenden Druckkräfte durch gegenläufige Bimetallbiegekräfte aufgehoben werden.The inner structure of the bimetal must be designed in such a way that the temperature Alternating stress caused by softening the plastic at a higher temperature decreasing compressive forces are counteracted by opposing bimetal bending forces.

Die temperaturbedingten Bimetallbiegekräfte sind in engen Toleranzbereichen an allen Druckkontaktstellen mit dem erforderlichen dynamischen Anpreßdruck bei allen Betriebszuständen so zu gestalten, daß jede einzelne Kontaktstelle sicher kontaktiert wird und nicht durch sich aufbauende überhöhte Druckbelastungen an einzelnen Kontaktstellen eine mechanische Zerstörung des Aufbaus erfolgt.The temperature-related bimetal bending forces are in narrow tolerance ranges on all Pressure contact points with the required dynamic contact pressure for all To design operating conditions so that each individual contact point is safely contacted and not due to the build-up of excessive pressure loads at individual contact points mechanical destruction of the structure occurs.

Der Erfindungsgedanke soll nachfolgend in Figuren veranschaulicht werden.The idea of the invention is illustrated below in figures.

Fig. 1a, b zeigt zwei Ausschnitte von Querschnitten des Verbundmaterials Bimetall/Kunststoff Fig. 1a, b shows cross sections of two cutouts of the composite material bimetal / plastic

Fig. 2a, b stellt in dreidimensionaler Form zwei Anwendungsbeispiele für den Verbundstoff dar. Fig. 2a, b shows in three-dimensional form two application examples for the composite.

Fig. 3 stellt einen Aufbauquerschnitt nach Fig. 2b dar. Fig. 3 shows a structural cross section according to Fig. 2b.

Fig. 1a, b zeigt zwei Ausschnitte von Querschnitten des Verbundmaterials Bimetall/Kunststoff. Ein in der Elektronik bekannter Kunststoff (1) mit den in dieser Branche geforderten Eigen­ schaften wird in Spritzverfahren zur Ummantelung einer Bimetallseele (6, 7) herangezogen. Dabei kann der Kunststoff (1) aus verschiedenen organischen Verbindungen mit oder ohne Füllstoff gebildet sein. Als Kunststoff eignen sich hervorragend Polybutylentherephthalat (mit dem Handelsnamen Crastin), Polyphenyläther (mit dem Handelsnamen Noryl) oder Polyphenylsulfid (mit dem Handelsnamen Ryton). Der Kunststoff (1) kann an der den Innenaufbauten zugesandten Seite Drucknoppen (3) zur Druckübertragung besitzen. Über die Stirnfläche der Drucknoppen (3) wird die Anpressung an die übrigen Aufbauteile realisiert. Fig. 1a, b shows two details of cross-sections of the composite material bimetal / plastic. A plastic ( 1 ) known in electronics with the properties required in this industry is used in spraying processes for sheathing a bimetallic core ( 6 , 7 ). The plastic ( 1 ) can be formed from various organic compounds with or without filler. Particularly suitable plastics are polybutylene terephthalate (with the trade name Crastin), polyphenyl ether (with the trade name Noryl) or polyphenyl sulfide (with the trade name Ryton). The plastic ( 1 ) can have pressure knobs ( 3 ) on the side facing the inner structures for pressure transmission. The pressure on the other structural parts is realized via the end face of the pressure knobs ( 3 ).

Der Füllstoff in dem Kunststoff (1) ist abhängig von den gewünschten Eigenschaften nach dem Umspritzen der Bimetallseele (6, 7). Von 0% bis zu 40% Anteil des Füllstoffes am Gesamtgewicht werden sehr gut nachvollziehbare Eigenschaften in der Konstruktion von Gehäuse- oder Brückenelementen für Leistungshalbleiterschaltungsanordnungen erzielt. Ausschlaggebend für die Definition der Mixturen sind die Forderungen nach Form- und Biegefestigkeit, Druckstabilität und Härte.The filler in the plastic ( 1 ) depends on the desired properties after the encapsulation of the bimetallic core ( 6 , 7 ). From 0% to 40% of the filler in the total weight, very easy to understand properties are achieved in the construction of housing or bridge elements for power semiconductor circuit arrangements. Decisive for the definition of the mixtures are the demands for form and bending strength, pressure stability and hardness.

Die Bimetallseele (6, 7) wird nach den einzelnen Anwendungsfällen in großer Variationsbreite gefertigt. Allen Ausführungsformen gemeinsam sind solche Oberflächengestaltungen mit Noppen, Wällen oder dreidimensionale Stanzausbuchtungen, die ein zuverlässiges und stabiles Ummanteln mit dem Kunststoff (1) ermöglichen. Die Geometrie der Bimetallseele kann in zwei Hauptgruppen aufgegliedert werden. Einerseits solche mit ganzflächiger Ausdehnung bezogen auf die Gesamtabmessungen und andererseits mit einer partiellen räumlichen Ausdehnung des einen oder beider Einzelmetalle des Bimetalls. Die sich ergebende Vielfalt kann nicht in allen Varianten dargestellt werden.The bimetal core ( 6 , 7 ) is manufactured in a wide range of variations according to the individual applications. All embodiments have in common those surface designs with knobs, ridges or three-dimensional punched bulges, which enable reliable and stable sheathing with the plastic ( 1 ). The geometry of the bimetallic core can be divided into two main groups. On the one hand, those with full-surface expansion based on the overall dimensions and, on the other hand, with a partial spatial expansion of one or both individual metals of the bimetal. The resulting diversity cannot be represented in all variants.

Die Bimetallseele (6, 7) kann aus unterschiedlichen Kombinationen von zwei Metallen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet werden. Relativ wirtschaftlich und mit einer erprobten Technologie lieferbar sind Werkstoffe aus Weicheisen (6) als Trägermetall mit Kupfer (7) als Auflagemetall plattiert. Für hohe Dehnungsansprüche bieten sich Bimetalle aus Stahl (6) als Trägermetall und Wolfram/Kupfer-Legierung (7) als Auflage an. The bimetallic core ( 6 , 7 ) can be formed from different combinations of two metals with different coefficients of thermal expansion. Materials made of soft iron ( 6 ) as a carrier metal with copper ( 7 ) as a supporting metal are available relatively economically and with a proven technology. For high elongation requirements, bimetals made of steel ( 6 ) are suitable as a carrier metal and tungsten / copper alloy ( 7 ) as a support.

Durch Aufschweißen (Fulmidurverfahren) sind freiliegende Schweißflächen mit genügender Ausdehnung für Winkelprofil-Auflagen zur Herstellung partieller Bimetallregionen der Metallseele zu gestalten.By welding (Fulmidur process), exposed welding surfaces are sufficient Extension for angle profile supports for the production of partial bimetallic regions To design metal soul.

Fig. 2a, b stellt in dreidimensionaler Form zwei Anwendungsbeispiele für den Verbundstoff dar. Fig. 2a demonstriert das Zusammenwirken der einzelnen Bauteile zu einer funktionsfähigen Einheit. In dem transparent dargestellten Kunststoff (1) ist flächig die Bimetalleinlage mit seinen beiden Metallen, Weicheisen (6) und Kupfer (7) sichtbar. Die Hohlkörper (8) können aus dem einen Metall des flächig ausgebildeten Bimetalls geformt sein und dienen der Befestigung des Deckels oder Brückenelementes auf dem Kühlkörper, der hier nicht gezeichnet ist. Auf dem Kühlkörper liegt formschlüssig die Isolierkeramik (10) mit den darauf plazierten Schaltungsaufbauten. FIGS. 2a, b illustrate two application examples for the composite in three-dimensional form. FIG. 2a demonstrates the interaction of the individual components to form a functional unit. The bimetallic insert with its two metals, soft iron ( 6 ) and copper ( 7 ), is visible in the transparent plastic ( 1 ). The hollow body ( 8 ) can be formed from one metal of the flat bimetal and serve to fasten the cover or bridge element on the heat sink, which is not shown here. The insulating ceramic ( 10 ) with the circuit structures placed thereon form-fit on the heat sink.

Die Schaltungsaufbauten bestehen aus Leistungshalbleiterbauelementen (11), insbesondere aus Schaltern, wie IGBT oder MOSFET in teilweiser Parallelschaltung, die in Antiparallelschaltung zusammen mit Freilaufdioden Halbbrücken, Eingangsgleichrichter oder Ausgangsgleichrichter für Leistungsumrichter darstellen können. Diese Leistungsbauelemente (11) sind stoffschlüssig durch Löten auf den entsprechenden Feldern (12) der diesseitig strukturierten Kupferfläche der Isolierkeramik (10) verbunden, wodurch ein guter Wärmeabtransport realisiert wird. Zur elektrischen Kontaktierung sind peripher Anschlußverbinder (9) positioniert, die in gleicher Weise stoffschlüssig mit den entsprechenden partiellen Kupferflächen (12) verbunden sind.The circuit structures consist of power semiconductor components ( 11 ), in particular of switches, such as IGBT or MOSFET in partial parallel connection, which can form half bridges, input rectifiers or output rectifiers for power converters together with freewheeling diodes in antiparallel connection. These power components ( 11 ) are integrally connected by soldering on the corresponding fields ( 12 ) of the copper surface of the insulating ceramic ( 10 ) structured on this side, as a result of which good heat dissipation is achieved. Peripheral connection connectors ( 9 ) are positioned for electrical contacting, and are connected in the same way integrally to the corresponding partial copper surfaces ( 12 ).

Durch Befestigen des Deckels mit dem Kühlkörper mittels Verschraubung an den Ecken in den Positionen der Hohlkörper (8) wird das gesamte Drucksystem aktiviert. Der so gestaltete Rand des Deckels drückt die Isolierkeramik auf den Kühlkörper. Die Noppen (3) drücken an mehreren Positionen innerhalb des flächigen Aufbaus die gesamte Keramikfläche gegen den Kühlkörper.The entire printing system is activated by attaching the cover to the heat sink with screws at the corners in the positions of the hollow body ( 8 ). The edge of the cover designed in this way presses the insulating ceramic onto the heat sink. The knobs ( 3 ) press the entire ceramic surface against the heat sink at several positions within the flat structure.

Bei Temperaturerhöhung des Gesamtaufbaus verliert der Kunststoff an mechanischer Stabilität. Dadurch würde sich in Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung der Druck in der Fläche des Schaltungsaufbaus gegenüber den Rändern negativ verändern. When the temperature of the overall structure increases, the plastic loses mechanical stability. This would cause the pressure in the area of the Change the circuit structure in relation to the edges.  

Der Kunststoff (1) würde bei einer einschichtigen Metalleinlage wegen des geringeren Ausdehnungkoeffizienten gegenüber der Metalleinlage eine konvexe Aufwölbung erfahren. Das Bimetall (6, 7) wird so in den Kunststoff (1) eingebettet, daß es an sich eine konkave temperaturbedingte Veränderung ausführt. Durch Berechnung und Erprobung ist es möglich, daß die Kräfte für die konkaven und die konvexen Veränderungen des Deckels oder Brückenelementes genau aufgehoben werden. Es ergeben sich als Summe und in Abhängigkeit von der Größe der Temperaturerhöhung proportional größer werdende Verspan­ nungen innerhalb des Gehäuses bei Aufrechterhalten der durch Verschrauben vorgegebenen Form und des eingestellten Druckes, der wahlweise bereits vorhandenen Vorspannung des Bimetalls. Genau dieser Effekt wird genutzt, um die erfinderische Idee zu praktizieren.The plastic ( 1 ) would experience a convex bulge in a single-layer metal insert because of the lower expansion coefficient compared to the metal insert. The bimetal ( 6 , 7 ) is embedded in the plastic ( 1 ) in such a way that it performs a concave temperature-related change. By calculation and testing it is possible that the forces for the concave and the convex changes of the cover or bridge element are canceled out exactly. This results in the sum and, depending on the size of the temperature increase, proportionally increasing stresses within the housing while maintaining the shape specified by screwing and the pressure set, and the optional pre-tensioning of the bimetal. Exactly this effect is used to practice the inventive idea.

In Fig. 2b ist ein montiertes Leistungsmodul sichtbar. Von der nur im Randbereich sichtbaren Isolierkeramik (10) mit ihren Aufbauten sind nur Teile der Kupferflächen (12) und die Anschlußverbinder (9) sichtbar. Die Bimetallseele, bestehend aus Stahl (6) und einer Wolfram/Kupfer-Legierung (7), sie sind in ihrer Geometrie optisch hervorgehoben. Die Hohlkörper (8) sind an den vorderen Ecken gut sichtbar.A mounted power module is visible in FIG. 2b. Only parts of the copper surfaces ( 12 ) and the connection connectors ( 9 ) of the insulating ceramic ( 10 ) with their superstructures are visible. The bimetallic core, consisting of steel ( 6 ) and a tungsten / copper alloy ( 7 ), is optically highlighted in its geometry. The hollow bodies ( 8 ) are clearly visible at the front corners.

Fig. 3 stellt einen Aufbauquerschnitt nach Fig. 2b dar. Auf einer beidseitig mit Kupfer beschichteten Isolierkeramik (10) ist die Kupferschicht (12) aufbauseitig in topologische Einzelfelder durch Abätzen des Kupfers aufgegliedert. Auf diese Einzelfelder werden löttechnisch schaltungsgerecht Leistungshalbleiterbauelemente (11) und Verbindungselemente (9) für Steuer- und Hilfsanschlüsse befestigt. Die Einzelfelder der aufbauseitigen Kupferschicht (12) bieten neben den Lötstellen Flächen für das Aufsetzen der Drucknoppen (3) des Deckels oder Brückenelementes. Fig. 3 illustrates a cross-sectional structure shown in FIG. 2b. On a coated on both sides with copper insulating ceramic (10) is broken down, the copper layer (12) on the body side in topological individual fields by etching of the copper. Power semiconductor components ( 11 ) and connecting elements ( 9 ) for control and auxiliary connections are fastened to these individual fields in accordance with the soldering circuitry. The individual fields of the copper layer ( 12 ) on the body side offer, in addition to the soldering points, areas for attaching the pressure knobs ( 3 ) of the cover or bridge element.

Der Deckel oder das Brückenelement besitzt einen Mantel aus Kunststoff (1) mit der Bimetallseele (6, 7), die in diesem Beispiel aus Stahl (6) in Kombination mit einer Legierung aus Kupfer/Wolfram (7) gebildet wurde. Dabei sind in den Ecken oder geeigneten zentrischen Stellen der Fläche Hohlkörper (in Fig. 3 nicht dargestellt) ausgebildet, die der Befestigung auf einem Kühlkörper dienen. The cover or the bridge element has a jacket made of plastic ( 1 ) with the bimetallic core ( 6 , 7 ), which in this example was made of steel ( 6 ) in combination with an alloy of copper / tungsten ( 7 ). Hollow bodies (not shown in FIG. 3) are formed in the corners or suitable central locations on the surface, which are used for fastening to a heat sink.

Auf der den Innenaufbauten zugewandten Unterseite des Deckels sind Drucknoppen (3) ausgebildet, diese besitzen an den Stirnseiten konusförmige Auswulstungen, die bei Druckbeaufschlagung zu einer paßgenauen Druckverteilung führen. Dazu müssen die Auswulstungen in Größe und sich verjüngender Form dem Fließverhalten des eingesetzten Kunststoffes Rechnung tragen denn der Zweck besteht ausschließlich in der Anpassung der Kupferoberfläche (12) der Isolierkeramik (10) an die Druckfläche der Noppen des Kunststoffes (1), so daß jede Drucknoppe (3) druckmäßig einer gleichen Beanspruchung ausgesetzt ist.Pressure knobs ( 3 ) are formed on the underside of the cover facing the inner structures. These have conical bulges on the end faces which, when pressure is applied, lead to a precisely fitting pressure distribution. For this purpose, the bulges in size and tapered shape have to take into account the flow behavior of the plastic used because the purpose is exclusively to adapt the copper surface ( 12 ) of the insulating ceramic ( 10 ) to the pressure surface of the knobs of the plastic ( 1 ), so that each push button ( 3 ) is subjected to the same pressure in terms of pressure.

Mit einem wie vorbeschriebenen Aufbau wird einerseits ein sicherer Druckkontakt bei Temperaturen am unteren Grenzbereich gegeben sein und andererseits wird bei Temperaturen an der oberen Grenze kein zu großer Druck aufgebaut werden. Die durch die Verlustleistung des Leistungshalbleiterbauelementes bei dem Betrieb der Schaltungsanordnung bedingte Erwärmung verursacht zusätzlich zu der gegebenen äußeren Temperatur eine entsprechende Ausdehnung aller unter Druck stehenden Teile, was bei erfinderischem Aufbau zu den geringst möglichen Schwankungen bei einem vorzüglichen Wärmefluß zu dem Kühlkörper führt.With a construction as described above, on the one hand, a secure pressure contact is achieved Temperatures at the lower limit are given and on the other hand at temperatures no excessive pressure can be built up at the upper limit. The through the power loss of the power semiconductor component in the operation of the circuit arrangement Heating causes a corresponding one in addition to the given external temperature Expansion of all parts under pressure, which is the least with the inventive structure possible fluctuations in an excellent heat flow leads to the heat sink.

Ein Überhitzen von Leistungsschaltern, die insbesondere im Zentrum von großflächigen Isolierkeramiken plaziert sind, wird vermieden, Reserven der Schaltungsanordnungen können kleiner ausgelegt sein, als diese nach dem Stand der Technik berücksichtigt werden mußten. Das Bimetall wirkt zusammen mit der Kunststoffummantelung als "thermische Feder", diese kann bereits beim Ummanteln mit Kunststoff vorgespannt sein, um bestimmte thermische Linearitäten bei den praktikablen Temperaturgängen während des Betreibens zu erreichen.Overheating of circuit breakers, especially in the center of large areas Insulating ceramics are placed, reserves of the circuit arrangements can be avoided be designed smaller than they had to be taken into account according to the prior art. The bimetal together with the plastic coating acts as a "thermal spring", this can already be pre-stressed when encasing with plastic to certain thermal To achieve linearities in the practical temperature responses during operation.

Es ist möglich, die Effekte des Einsatzes von Bimetall in Schaltungsanord­ nungen der Leistungselektronik auf nur einer Seite des Schaltungsaufbaus zu nutzen, jedoch in gleicher Weise denkbar, mehrfach Bimetalleinlagen, mit oder ohne Kunststoffummantelungen, vorzusehen. Beispielhaft können doppellagige Aufbauten, wie sie auch in DE 43 10 446 C1 beschrieben worden sind, mit zwei Kunststoff/Bimetall-Kombinationen versehen werden. In gleicher Weise ist ein Einsatz von Bimetall in solchen Schaltungsaufbauten denkbar, die aus Stabilitätsgründen mit eine Grundplatte gefertigt werden. Die Grundplatte kann aus einem die Wärme gut leitenden Bimetall bestehen.It is possible to arrange the effects of using bimetal in circuit power electronics on only one side of the circuit structure, but in conceivable in the same way, multiple bimetal inserts, with or without plastic sheathing, to provide. Double-layer structures, as also described in DE 43 10 446 C1 have been described, provided with two plastic / bimetal combinations become. In the same way, it is conceivable to use bimetal in such circuit structures, which are manufactured with a base plate for reasons of stability. The base plate can be made a bimetal that conducts heat well.

Claims (5)

1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung bestehend aus mindestens einer Isolierkeramik (10) mit strukturierten Kontaktflächen (12) und mit mindestens einem Halbleiterbauelement (11) und Anschlußverbindern (9), die auf die Kontaktflächen (12) gelötet sind und mit einem für einen Druckkontaktaufbau geeigneten Gehäuse mit einem Druckelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement als Deckel oder Brückenelement ausgeführt ist und aus einem Verbundwerkstoff aus einem Bimetall (6, 7) mit einer Kunststoffummantelung (1) besteht. 1. Power semiconductor circuit arrangement consisting of at least one insulating ceramic ( 10 ) with structured contact surfaces ( 12 ) and with at least one semiconductor component ( 11 ) and connection connectors ( 9 ) which are soldered onto the contact surfaces ( 12 ) and with a housing suitable for a pressure contact structure with a Pressure element, characterized in that the pressure element is designed as a cover or bridge element and consists of a composite material made of a bimetal ( 6 , 7 ) with a plastic coating ( 1 ). 2. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetall (6, 7) ganzflächig oder mindestens eine Bimetallkomponente in Teilflächen der flächigen Gehäuseausdehnung als Seele enthalten ist und Ausbildungen auf der Oberfläche wie Erhebungen, Noppen, Stege oder Profile aufweist.2. Power semiconductor circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the bimetal ( 6 , 7 ) is contained over the entire area or at least one bimetal component in partial areas of the planar housing expansion as a soul and has training on the surface such as elevations, knobs, webs or profiles. 3. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (1) ein organisches Polymer ohne Füllstoff oder mit anorganischen Metalloxiden bis zu 40% der Gesamtmasse als Füllstoff ist.3. Power semiconductor circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the plastic ( 1 ) is an organic polymer without filler or with inorganic metal oxides up to 40% of the total mass as filler. 4. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (1) Polybutylentherephthalat, Polyphenyläther oder Polyphenylsulfid ist.4. Power semiconductor circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the plastic ( 1 ) is polybutylene terephthalate, polyphenyl ether or polyphenyl sulfide. 5. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetall (6, 7) eine Kombination der Materialien Weicheisen mit Kupfer oder Stahl mit einer Kupfer/Wolfram-Legierung ist.5. Power semiconductor circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the bimetal ( 6 , 7 ) is a combination of the materials soft iron with copper or steel with a copper / tungsten alloy.
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