DE3028178C2 - Leistungshalbleiter-Modul - Google Patents
Leistungshalbleiter-ModulInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiter-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Modul ist aus der DE-OS 28 40 514 bekannt. Das bekannte Modul ist etwa quaderförmig
und besteht aus einem einstückigen Gehäuseoberteil, in das von unten, in der im Anspruch angegebenen Weise,
als Gehäuseboden die Keramikplatte eingesetzt ist. In der Oberseite des Gehäuseoberteils befinden sich eine
Reihe von Öffnungen, die so bemessen und angeordnet sind, daß die äußeren Anschlußelemente — Drähte oder
Flachstecker — die die elektrische Verbindung zu den im Gehäuseinneren angebrachten Halbleiterbauelementen
herstellen, hindurchtreten. Durch eine weitere
ίο Öffnung im Gehäuseoberteil wird bei der Herstellung
des Moduls eine aushärtbare Kunststoffmasse eingespritzt. Die Befestigung des Moduls an einem Kühlgehäuse
erfolgt mit Hilfe von seitlich am Gehäuse einstükkif ausgebildeten Flanschen mit je einer Bohrung. Die
Keramikplatte, die die Halbleiterbauelemente, Metallisierungen und die äußeren Anschlußelemente trägt, ist
so in die bodenseitige öffnung des Gehäuses eingesetzt, daß sie geringfügig, d. h_ 0,025 mm über die Ränder des
Gehäuseoberteils übersteht. Dadurch soll ein großflächiger
Kontakt zwischen der Keramikplatte und dem Kühlkörper bewirkt werden.
Die Erfahrung mit diesem auch im Handel erhältlichen Modul hat jedoch gezeigt, daß die Keramikplatte
dieses Moduls nichts mit ihrer ganzen Fläche auf die ebene Fläche eines Kühlkörpers aufgepreßt werden
kann. Diese mangelnde Auflage — insbesondere wohl in der Mitte der Platte — kann wegen der Elastizität der
einstückig mit dem Gehäuseoberteil verbundenen Montageflansche aus Kunststoff auch bei festem Anziehen
der vorgesehenen Montageschrauben nicht wesentlich verbessert werden. Falls es dennoch gelänge, diese Anpreßkraft
deutlich zu steigern, bestünde im übrigen noch die Gefahr, daß die Keramikplatte wegen der ungleichmäßig
verteilten' Spannungen in dieser Platte bricht. Die in der obengenannten Offenlegungsschrift
zur Beseitigung dieses bereits erkannten Nachteils vorgeschlagene Verwendung einer Spezialfolie zwischen
Keramikplatte und Kühlkörper macht jedoch die angestrebte Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen
Halbleiter und Kühlkörper sowie die angestrebte Verringerung des Montageaufwands zumindest teilweise
wieder zunichte. Auch ist es relativ schwierig, das nach Einsetzen der Keramikplatte allseitig geschlossene Innere
des Gehäuses mit der aushärtbaren Kunststoffmasse zu füllen.
Aus dem US-Patent 36 38 073 ist ein Leistungshalbleiter-Modul mit quaderförmigem Kunststoffgehäuse und
einem zentralen Befestigungsteil mit einer durch dieses b'efestigungsteil und durch den Boden des Gehäuses
so durchgehenden Bohrung bekannt. Dieses Modul weist jedc"h keine keramische Bodenplatte auf; auch ist in
dieser Patentschrift das Problem einer möglichst großflächigen Auflage des Gehäusebodens auf einem Kühlkörper
nicht angesprochen.
Weiterhin ist aus den DE-OS 27 28 564 und 26 17 335
eine Anordnung von Halbleiterelementen in einem zweiteiligen Gehäuse bekannt, wobei eine metallische
Bodenplatte und ein Kunststoff-Oberteil vorgesehen ist. Durch geeignete Anordnung mehrerer durchgehender
Befestigungslöcher am Rande des Gehäuses wird bei dem aus der DE-OS 27 28 564 bekannten Modul eine
geringfügige Verbiegung der Bodenplatte und damit eine großflächige Auflage der auf einem Kühlkörper aufzuschraubenden
Bodenplatte erreicht.
Bei dem aus dem Ausführungsbeispiel der DE-OS 26 17 335 bekannten Modul sind die beiden Halbleiterelemente
druckkontaktiert; der Kontaktdruck gegen die metallische Bodenplatte wird durch eine, durch ein
Loch in der Bodenplatte gehende, mit ihrem Kopf in die gehäuseäußere Seite der Bodenplatte eingesenkte
Schraube und durch als Joch ausgebildete Blattfedern erzeugt In der genannten DE-OS wird zwar das Problem
der Verbiegung durch eine solche Spannanordnung angesprochen — offenbar um diese Verbiegung
gering zu halten, ist bei dem bekannten Modul auch die Spannschraube rtwa zentral in der Bodenplatte und
zwischen beiden Halbleiterelementen angeordnet —, jedoch sind dieser DE-OS keine weitergehenden Hinweise
auf die Maßnahmen nach dem vorliegenden Anspruch 1 zu entnehmea
Ausgehend von dem aus der DE-OS 28 40 514 bekannten Leistungshalbleiter-Modul liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen Modul die Auflage der Keramikplatte und damit die Wärmeableitung
bei einem auf der ebenen Fläche eines Kühlkörpers befestigten Moduls zu verbessern und den Einbau
der Halbleiterbauelemente, Lötbrücken und der Anschiüßeiemente
in das Gehäuse sowie das Ausgießen des Inneren des Moduls mit einer Vergußmas'-,? zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Leistungshalbleiter-Modul
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst
Damit ergeben sich die Vorteile, daß zur Montage des Moduls an einem Kühlkörper nur eine einzige
zentrale Befestigungsschraube nötig ist, daß die Vergußmasse auf einfachste Art und Weise in das offene
Gehäuse eingegossen werden kann, daß die Vergußmasse sich im Gehäuseinnern aufgrund des Abstandes
zwischen Keramikplatte und Speichen frei verteilt, daß der von der Befestigungsschraube erzeugte Druck
nicht nur über das zentrale Befestigungsteil, sondern auch über die Speichen und die ausgehärtete Vergußmasse
gleichmäßig auf die Keramikplatte verteilt wird, daß durch die Abtrennung je zweier äußerer Anschlußelemente
durch eine der Speichen der Kriechweg zwischen den beiden Anschlußelementen verlängert
wird und daß aufgrund aller dieser Maßnahmen ein sehr guter Wärmeübergang von den Halbleitern
zu den Kühlkörpern erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind Gehäuse und Keramikplatte miteinander dicht verklebt.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, auch extrem dünnflüssige
Vergußmassen zu verwenden, ohne daß an einem etwaigen Spalt zwischen Gehäuse und Keramikplatte
Vergußmasse verlorengeht.
Vorteilhafterweise besitzt nicht nur der Rahmen einen schulterförmigen Absatz, in den die Keramikplatte
eingesetzt wird, sondern auch das zentrale Befesiigungsteil.
Dieser schul terförmige Absatz zentriert die Keramikplatte und vergrößert die Klebefläche.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besitzt die Bohrung im zentralen Befestigungsteil an der Gehäuseoberseite
einen größeren Durchmesser. Dadurch wird bewirkt, daß die zentrale Befestigungsschraube versenkt
ist und dadurch die Kriechwege zwischen den äußeren Anschlußelementen und der zentralen Befestigungsschraube
verlängert werden.
Die Kriechwege lassen sich auch noch dadurch zusätzlich verlängern, daß die Speichen und das zentrale
Befestigungsteil an der Gehäuseoberseite über die Höhe
des Rahmens hochgerogen werden.
Vorzugsweise steht die gehäuseäußere Fläche der
Keramikplatte ca 250 μπι über dem bodenseitigen Rand des Gehäuseoberteils übe". Dieser große Überstand erlaubt
es, den schulterförmigen Absatz, in den die Keramikplatte eingesetzt wird, mit größerer Toleranz herzustellen,
ohne daß der direkte Kontakt zwischen Keramik und Kühlkörper behindert und dadurch der gute
Wärmeübergang verschlechtert würde.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es
zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Leistungshalbleiter-Modul
entsprechend der Linie 1-1 der F i g. 2,
F i g. 2 eine Draufsicht auf die Oberseite eines Moduls.
Man erkennt ein Gehäuseoberteil 1 aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise einem faserverstärkten Epoxidharz.
Es besteht aus einem oben und unten offenen Rahmen 11, einem zentralen Befestigungsteil 13 sowie
radialen Rippen 12 zwischen Rahmen 11 und zentralem Befestigungsteil 13. In die Bodenfläche 8 von Rahmen 11
und zentralem Befestigungsteil 13 ist :e ein schulterförmiger
Absatz 9 eingearbeitet. In diese* Absatz 9 ist eine Keramikplatte 2 eingesetzt und mit dem Gehäuse dicht
verklebt Die nach außen gerichtete Fläche 2.1 der Keramikplatte 2 steht etwa 250 μπι über dem bodeuseitigen
Rand 8 des Gehäuseoberteils 1 über. Auf der zum Gehäuseinneren gerichteten Fläche Z2 der Keramikplatte
2 sind mit Hilfe von (nicht dargestellten) Metallisierung äußere Anschlußelemente 3, 3.1, die hier als
Flachstecker ausgeführt sind, Halbleiterbauelemente 4 und Verbindungsbügel 5 befestigt Die Anschlußelemente
3,3.1 sind von der Oberseite des Gehäuses 1 her frei zugänglich. Die Rippen 12 sind so angeordnet, daß
sie die Anschiußelemente 3,3.1 gegeneinander trennen.
Sie erhöhen die Kriechwege. Zu diesem Zweck sind die Rippen 12 sowie das obere Ende des zentralen Befestigungsteils
13 über die Höhe des Rahmens 11 hochgezogen.
In F i g. 1 erkennt man, daß zwischen Keramikplatte 2
und unterem Ende der Rippen 12 ein Abstand verbietet, so daß eine Vergußmasse 6 sich gleichmäßig im Inneren
des ■ Oehäuseoberteils 1 verteilen kann. Nachdem; die Vergußmasse 6 ausgehärtet ist, bilden Rahmen 11, Rippen
12, zentrales Befestigungsteil 13, Vergußmasse 6 und Keramikplatte 2 eine starre mechanische Einheit
Dadurch wird der von einer zentralen Befestigungsschraube, die durch die Bohrung 7 gesteckt und mit
einem (nicht dargestellten) Kühlkörper verschraubt wird, erzeugte Druck gleichmäßig auf die gesamte Fläche
2.1 des Keramikplättchens 2 verteilt, so daß sich über die gesamte Fläche ein gleichmäßiger Anpreßdruck
ergibt.
In F i g. 2 erkennt man zusätzlich eine seitliche Markierung
10 am Gehäuseoberteil 1, mit deren Hilfe die Lage des Moduls eindeutig bestimmt wird. Man erkennt
weiterhin, daß das / nschlußelement 3.1 eine .geringere
Breite besitzt als die übrigen drei Anschlußelemente, an die die Steuersignale für steuerbare Halbleiterbauelemente
angelegt werden, eindeutig gekennzeichnet werden.
Das in der Zeichnung des Ausführungsbeispiels dargestellte
Leistungshalbleiter-Modul enthält eine Graetz-Brücke mit vier ungesteuerten DioJen;das Modul
kann aber auch eine Drehstrombrücke mit sechs Dioden oder bei sogenannten Gleichrichter-Zweigpaaren
zwei Thyristoren oder eiüen Thyristor und eine Diode
enthalten. In all diesen Fällen bietet die Tatsache, daß auch nach Einsetzen der Keramikplatte das Gehäuseinnere
und die dort liegenden elektrischen Bauteile frei zugänglich sind, ohne daß darunter die mechanische
Steifigkeit oder die elektrische Zuverlässigkeit leiden,
und daß ein guter, gleichmäßiger Kontaktdruck zwischen Keramik und Kühlkörper erzielbar ist, erhebliche
technische Vorteile.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)
1. Leistungshalbleiter-Modul mit einem in der Außenkontur etwa quaderförmigen Gehäuse, das aus
einem Gehäuseoberteil aus Kunststoff mit einer Ausnehmung auf der Bodenseite und mit einem Absatz
am Umfang der Ausnehmung sowie aus einem Gehäuseboden aus einer Keramikplatte besteht, wobei
die Keramikplatte in den Absatz so eingesetzt ist, daß diese mit ihrer nach außen weisenden Hauptfläche
geringfügig über den bodenseitigen Rand des Gehäuseoberteils übersteht, ferner mit Metallisierungen,
Halbleiterbauelementen und Lötbrücken auf der anderen, dem Inneren des Gehäuses zugewandten
Hauptfläche der Bodenplatte., mit Anschlußelementen, die auf der Oberseite des Gehäuses
frei zugänglich sind, mit Einrichtungen zur Befestigung
des M-cduIs an einem Kühlkörper und mit
einer ausffehsrieten !solierstoffniassir im Inneren
des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseoberteil (1) ein die Seitenteile des
Gehäuses bildendes Rahmenteil (11), ein zentrales Befestigungsteil (13) mit durchgehender Bohrung (7)
als Einrichtung zur Befestigung des Moduls auf einem Kühlkörper und radiale Speichen (12) zwischen
Rahmenteil (11) und Befestigungsteil (13) umfaßt, daß die Keramikplatte (2) zusätzlich an der Bodenseite
des zentralen Befestigungsteils (13) abgestützt ist und eine mif der Bohrung (7) fluchtende Durchbrechung
besitzt, daß zwischen den Speichen (12) und der Keramikplatte (1) ein Austand besteht und
daß die äußeren Anschlußeiemente (3) durch jeweils wenigstens eine Speiche (12) gegeneinander abgetrennt
sind.
2. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (1) und Keramikplatte
(2) miteinander dicht verklebt sind.
3. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale
Befestigungsteil (13) an der Bodenseite einen schulterförmigen Absatz (9) besitzt, in welchen die Keramik
eingesetzt ist.
4. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (7)
im zentralen Befestigungsteil (13) an der Gehäuse-Oberseite einen größeren Durchmesser besitzt, so
daß eine Befestigungsschraube versenkt werden kann.
5. Leistungshalbleiter-Modul nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Speichen (12) und das zentrale Befestigungsteil (13) an der Gehäuse-Oberseite über die Höhe
des Rahmens (11) hochgezogen sind.
6. Leistungshalbleiter-Modul nach wenistens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die gehäuseäußere Fläche (2.1) der Keramikplatte (2) ca. 250 um über den bodenseitigen Rand
(8) des Gehäuseoberteils (1) übersteht.
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Legal Events
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Ipc: H01L 25/04 |
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D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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