DE20005746U1

DE20005746U1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE20005746U1
Application number: DE20005746U
Authority: DE
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: DE10115207A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffrahmen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Der Kunststoffrahmen wird bei derartigen Modulen meist auf einer metallische Trägerplatte unter Ermöglichung einen thermischen Versatzes befestigt, wobei durch dessen Rahmenwände Anschlüsse für im Inneren befindliche elektronische Leistungsbauteile geführt sind. Bonddrähte, die vom eigentlichen Halbleiter zu Kontakt-

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punkten im Bereich der Rahmenwände führen, weisen dabei durch eine zusätzliche Länge (in Form einer Ausbiegung) zudem eine, weiteren Versatz ermöglichende Flexibilität auf.

Leistungshalbleitermodule weisen zudem dabei häufig zusätzlich eine in den Kunststoffrahmen ebenfalls integrierte Ansteuerelektronik auf und bestehen im wesentlichen aus einer metallischen oder metall-keramischen Bodenplatte als Wärmesenke, auf die ein oder mehrere Trägersubstrate (jeweils bestehend aus Isolationsschicht und beidseitiger Metallisierung) aufgebracht sind, wobei auf diesen eine Anzahl von Leistungshalbleitern und Sensorkomponenten angeordnet ist. Die Seite, auf der die Leistungshalbleiter angeordnet sind, ist die sog. "strukturierte Seite" gegenüber der Wärmesenke.

Die metallische Bodenplatte wird weiter von einem glasfaserverstärkten Kunststoffrahmen umgeben, der zusätzlich eine für die Ansteuerelektronik bestimmte Leiterplatte tragen kann, das sogenannte Ansteuerboard, auf dem Bauelemente außer zur Ansteuerung der Leistungselektronikkomponenten auch zur Überwachung und externen Steuerung vorhanden s ind.

Weiter besitzt die Leiterplatte Anschlüsse für externe elektrische Verbindungen und interne elektrische Verbindungen zu den Leistungshalbleitern und Sensorkomponenten. Der Kunststoffrahmen besitzt zudem ebenfalls weitere elektrische Anschlußelemente für die direkte, starr ausgebildete elektrische Kontaktierung der Leistungshalbleiter, mit denen ganz erhebliche Ströme mit hohen Amperezahlen durch die Leistungshalbleiter durchgeleitet werden. Bei Leistungshalbleitermodulen, die für die Steuerung eines Gabelstablers benötigt werden, kann der zu

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schaltende Strom beispielsweise einige hundert Ampere betragen.

Dieser Kunststoffrahmen um den Leistungshalbleiter wird schließlich oberhalb der Leiterplatte mit einem Deckel verschlossen. Besonders problematisch beim Einsatz automatischer Bonddraht-aufbringender Automaten ist außerdem die Gewährung eines ausreichend großen Freiraums im Bereich der Kontaktierungspunkte, so daß eine Aufbringspitze mit der Bonddrahtzuführung sich mit wenigen einfachen Bewegungen, die zudem durch die angestrebte Lage der Drähte vorgegebene sind, schnell innerhalb des Rahmen bewegen kann.

Die obig erwähnten Leistungshalbleitermodule mit integrierter Ansteuerelektronik werden auch "intelligente Leistungshalbleitermodule" genannt und sind seit langem bekannt. Bei diesen Leistungsmodulen werden die Anschlußelemente für hohe Ströme "Leistungsanschlüsse" genannt. Diese Leistungsanschlüsse werden direkt vom Leistungshalbleiter oder von der strukturierten Metallisierung des Trägersubstrates kontaktiert und, wie oben erwähnt, durch den Kunststoffrahmen oder direkt durch den Deckel zum äußeren Anschluß geführt.

Zusätzlich kontaktieren sogenannte Steueranschlüsse die Leistungshalbleiter und die Sensorkomponenten und werden meist zu einem Ansteuerboard geführt. Solche Anordnungen finden sich zum Beispiel in den US-Patentschriften 5,497,291 und 5,519,252.

Beide Druckschriften offenbaren insbesondere die direkte Verbindung vom Trägersubstrat zum Ansteuerboard durch starre leitfähige Metallstifte oder Metallbänder, die im allgemeinen aus Kupfer gefertigt sind und sowohl an me-

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tallisierten Flächen des Trägersubstrates wie auch Flächen des Ansteuerboards durch Weichlötung angeschlossen sind.

Nachteil an dem oben beschriebenen Aufbau bisher bekannter intelligenter Leistungsmodule ist die sehr unterschiedliche thermische Ausdehnung der aus unterschiedlichen Materialien gefertigten Struktur. Da Temperaturen von beispielsweise -4O⁰C bis über +15O⁰C (am Halbleiter) unter Vollastbetrieb auftreten und übliche Trägersubstrate für keramische Isolationsschichten aus Aluminiumoxid mit einem thermischen Ausdehnungskoeffiziente TCE = 6,7 ppm/K oder Aluminiumnitrid TCE = 3,3 ppm/K betragen, andererseits aber die Leistungshalbleiter aus Silizium mit einem TCE = 2,7 ppm/K versehen sind, wird der thermisch mechanische Stress in der Weichlötung aufgefangen, sofern diese vorhanden ist.

Zur Vermeidung von thermischen-mechanischem Stress werden die TCEs der Trägersubstrate nach Möglichkeit dem des Silizium angenähert, wobei das Aluminiumnitrid erheblich kostenintensiver als bspw. Aluminiumoxid ist.

Die zum Einsatz kommenden Ansteuerboards bestehen nun weiter aus glasfaserverstärkten Epoxydharzen mit einem TCE von 20 ppm/K in X- und Y-Richtung, also einen um fast eine Größenordnung größeren Ausdehnungskoeffizienten. Die beschriebenen starren elektrischen Verbindungen zwischen den durch den Rahmen gehaltenen Leistungshalbleiter sollten daher durch entsprechende Konstruktion des Rahmens möglichst wenig gegeneinander verschoben werden.

Weiter wächst das Problem mit zunehmender geometrischer Größe von Modul und Ansteuerboard und führt zu Kontaktbrüchen an den thermisch beanspruchten Lötstellen auf dem

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Trägersubstrat. Da gerade die mit hohen Strömen arbeitenden Leistungshalbleitermodule größere Gehäuse benötigen und zudem höhere Temperatur entwickeln, tritt bei ihnen das Problem besonders stark auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, bei dem es durch eine verbesserte elektrische Kontaktierung nicht zu den oben genannten Problemen kommt. Vorteilhafterweise soll ein integriertes Ansteuerboard in dem Gehäuse beherbergt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Vorteilhaft ist insbesondere, daß durch Führung auch der Steueranschlüsse in den Rahmenwandungen des Leistungshalbleitermoduls diese in ihrer Position zu den jeweiligen Substraten und dem Ansteuerboard definiert sind und man von diesen festen Verhältnissen ausgehend nun die Minimierung des Temperaturausdehnungsversatzes gezielt ermitteln und minimieren kann.

Besonders vorteilhaft ist es weiter, die Steueranschlüsse in Brückenstegen anzuordnen, die über die Freiflächen der Rahmeninnenfläche geführt sind. Das zu kontaktierende Ansteuerboard liegt dann oberhalb der Ebene des Trägersubstrates und bedeckt einen Teil der Rahmeninnenfläche bei gleichzeitiger Auflage auf den Brückenstegen mit den Kontaktelementen. Die Kontaktelemente sind dabei vorteilhafterweise durch übliche Durchkontaktier-Bohrungen im Ansteuerboard mittels Lötung, Pressung oder Steckung mit den Leiterbahnen auf dem Ansteuerboard mit der Ansteuerelektronik verbunden.

Die thermisch mechanische Fehlanpassung der Materialien von Trägersubstraten und Ansteuerboard ist unverändert vorhanden, wird aber durch die erfindungsgemäße Konstruktion mit Hilfe flexibler Bonddrähte ausgeglichen. Gleichzeitig erhält das Ansteuerboard durch die vorteilhafterweise gewählte Anbringung auf zwei die Rahmeninnenfläche in drei etwa gleichgroße, wiederum rechteckig längs nebeneinander angeordnete Teilflächen unterteilende Brückenstege einen festen Halt innerhalb des Kunststoffrahmens.

Es werden sich nurmehr drei etwa gleich große, jeweils um wenigstens den Faktor 3 geringere thermische Ausdehnungen ergeben, von denen im wesentlichen nur diejenige für das Drittel, das zwischen den Brückenstegen liegt, von Bedeutung ist. Diese Ausdehnung für das mittlere Drittel führt zu einer unkritischen gewissen Wölbung des Ansteuerboards bei gleichzeitiger Nutzung der Flexibilität der Brückenstege gegenüber dem Rahmen, ohne daß ein zerstörender Einfluß auf die Kontaktierung insbesondere einzelner Kontaktelemente zu den Leistungshalbleitermodulen oder zu dem Ansteuerboard erfolgt.

Gleichzeitig wird durch die Anordnung der Brückenstege entlang einer oder mehrerer Trennungsgebiete zwischen zwei oder mehreren Trägersubstraten auf der Bodenplatte die mechanische Stabilität des umlaufenden Rahmens gegenüber Verformungen deutlich erhöht, insbesondere biegen die Längsseiten, zwischen denen die Brückenstege angeordnet sind, sich relativ zueinander nicht auseinander und Bonddrähte, die zu den Leistungsanschlüssen auf diesen Längsseiten führen, werden mechanisch deutlich weniger belastet.

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Durch die Anordnung des Ansteuerboards in der zweiten Ebene oberhalb der Leistungshalbleiter ist gleichzeitig ein kleines Gehäuse möglich, das den Raumgewinn, den wesentlichen Vorteil, weshalb die Leistungshalbleiter überhaupt eng integriert werden, weiter erhält.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Leistungshalbleitermoduls mit abgehobenen Deckel und angehobenem Ansteuerboard, und

Fig. 2 einen Schnitt durch das Leistungshalbleitermodul quer zu den Stegen.

Das in der Fig. 1 dargestellte Leistungshalbleitermodul besitzt einen Kunststoffrahmen 10, der auf einer metallischen Trägerplatte 12 befestigt ist, und durch dessen Längskanten-Wandungen 18 Leistungsanschlüsse 14 für im Inneren befindliche elektronische Leistungsbauteile 16 geführt sind, wobei in einer inneren Rahmenwandungen 2 0 Steueranschlüsse 22 vorgesehen sind.

Die aus Metallstreifen gebildeten Leistungsanschlüsse 14 sind dabei bereits in einer (erst im zusammengefügten Zustand bewirkten) auf den zwischen die äußeren Rahmenwandungen 18 einsinkbaren Deckel 24 aufgebogenen Stellung dargestellt. Vor dem Umbiegen wird dabei in die sechseckigen Ausnehmungen im Deckel eine Mutter zur Ermögli-

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chung einer Schraubverbindung an den Leistungsanschlüssen 14 eingelegt.

Der Deckel weist eine Ausnehmung 28 auf, durch die ein Stecker direkt auf das darunterliegende Ansteuerboard 3 0 steckbar ist.

Die inneren Rahmenwandungen 2 0 sind als den Innenraum quer in Teilgebiete teilende Brückenstege ausgebildet, die zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter Anschlüsse 22 in sich tragen, die in der Ebene der Leistungsanschlüsse in einem unteren Bereich der Rahmenwandung seitlich in einem durch Bezugszeichen 34 gekennzeichneten Bereich dicht oberhalb der Trägerplatte austreten und die auf der Oberseite der Brückenstege 20 herausgeführt werden.

Vorteilhafterweise weisen die Rahmenwandungen 18, 20 hier noch Absätze 36, 38 auf, die in einer Höhe liegen. Dies ermöglich das einfache Bonden der Leistungshalbleiter mit Automaten, die nur einfache Bewegungen ausführen müssen.

Da die Oberseite der inneren Rahmenwandung deutlich unterhalb der äußeren (Seiten-) Rahmenwandung angeordnet ist, stört sie Verfahrbewegungen der Bonddrahtaufbringenden Spitze und der Bonddrahtzuführeinrichtungen wenig während gleichzeitig die an dieser Stelle herausgeführten Steueranschlüsse durch Ausnehmungen im Deckel an der Oberseite des Moduls ggf. direkt mit Steckern kontaktierbar sind, die wiederum zu den Leistungsanschlüssen 14 Abstand waren, ohne die Dimensionen des Moduls zusätzlich zu vergrößern.

Vorteilhafterweise kann zusätzlich das Ansteuerboard 3 0 innerhalb des Moduls - wie dargestellt in Fig. 1 und 2 -

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auf die Steueranschlüsse 22 aufsteckbar unterhalb des Deckels angeordnet werden. Als besonders geeignet hat sich eine Aufteilung erwiesen, bei der der Deckel das Ansteuerboard von oben auf zwei den rechteckigen Innenraum quer teilenden Brückenstegen im Zusammenwirken mit den in das Steuerbord von unten eingesenkten Steueranschlüssen fixiert, aber dennoch insbesondere den Endbereichen noch thermischen Versatz erlaubt.

Wenn ferner die Oberseite der inneren Rahmenwandung deutlich unterhalb der äußeren (Seiten-) Rahmenwandung angeordnet ist, und die Oberseite des Deckels im wesentlichen mit der seitlichen Rahmenwandung fluchtet, kann die Bauhöhe minimiert werden.

Claims

1. Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffrahmen, der auf einer metallischen Trägerplatte (12) befestigt ist, und durch dessen Rahmenwandungen (18, 20) Anschlüsse (14, 22) für im Inneren befindliche elektronische Leistungsbauteile (16) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- in einer äußeren Rahmenwandung (18) Leistungsanschlüsse (14) und in einer inneren Rahmenwandung (20) Steueranschlüsse (22) vorgesehen sind,
wobei die Oberseite der inneren Rahmenwandung (20) deutlich unterhalb der Oberkante äußeren Rahmenwandung (18) angeordnet ist, und
die an der Oberseite der inneren Rahmenwandung (20) herausgeführten Steueranschlüsse (22) mittels Ausnehmungen (28) im Deckel (24) an der Oberseite des Moduls mit Steckern kontaktierbar sind.

2. Leistungshalbleitermodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Metallstreifen gebildeten Leistungsanschlüsse (14) auf den zwischen die äußeren Rahmenwandungen (18) einsinkbaren Deckel (24) aufbiegbar sind.

3. Leistungshalbleitermodule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Rahmenwandungen (20) als den Innenraum quer in Teilgebiete teilende Brückenstege ausgebildet sind, die zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter (16) Anschlüsse (22) in sich tragen, die in der Ebene der Leistungsanschlüsse in einem unteren Bereich der Brückenstege (20) seitlich dicht oberhalb der Trägerplatte (12) austreten und die auf einer Oberseite der Brückenstege (20) herausgeführt werden.

4. Leistungshalbleitermodule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ansteuerboard (30) auf die Steueranschlüsse (22) aufsteckbar ist.

5. Leistungshalbleitermodule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (24) das Ansteuerboard (30) von oben auf zwei den rechteckigen Innenraum quer teilenden Brückenstegen (20) im Zusammenwirken mit den in das Ansteuerbord (30) von unten eingesenkten Steueranschlüssen (22) fixiert.

6. Leistungshalbleitermodule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die Oberseite der Brückenstege (20) deutlich unterhalb der äußeren (Seiten-) Rahmenwandung angeordnet ist, und die Oberseite des Deckels im wesentlichen mit dieser Rahmenwandung fluchtet, wobei Ausnehmungen (28) im Deckel (24) in den Dimensionen von Steckern zur Kontaktierung des Ansteuerboards (30) vorgesehen sind.