DE3028178C2 - Leistungshalbleiter-Modul - Google Patents

Leistungshalbleiter-Modul

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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
10
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25
30
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45
50
55
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65

Claims (6)

Patentansprüche:
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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