DE3440925A1

DE3440925A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE3440925A1
Application number: DE19843440925
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. 6840 Lampertheim Eisele
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1986-05-15
Also published as: DE3440925C2

Description

Leistungshalbleitermodul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Leistungshalbleitermodule sind aus den deutschen Offenlegungsschriften 28 40 514 und 31 27 457 bekannt. Bei diesen Modulen sind auf einem metallisierten Keramiksubstrat aktive und passive Bauelemente einschließlich der erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen diesen Bauelementen aufgelötet. Außerdem sind auf dem Substrat Verbindungselemente befestigt, die zu äußeren Anschlüssen führen. Diese Verbindungselemente sind in der Regel senkrecht nach oben und durch Öffnungen in einem elektrisch isolierenden Gehäuse geführt. Bei entsprechender Ausbildung des oberen Endes des Verbindungselementes kann das Verbindungselement zugleich als Anschlußelement dienen. Dazu kann das obere Ende z.B. als Flachstecker ausgebildet sein oder abgewinkelt und mit einem Loch versehen sein. Es ist weiterhin üblich, das Modulgehäuse wenigstens teilweise mit einer Vergußmasse zu füllen.
Während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls entsteht Verlustwärme. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten des Moduls kann es zu Wärmespannungen kommen, die z.B. zu einer Wechselbeanspruchung von Lötstellen oder zum Bruch der Keramik führen können. Zur Verminderung dieses Effekts wurde in der DE-OS 31 27 457 vorgeschlagen, Verbindungselemente mit Dehnungsbogen vorzusehen, die außerdem im Bereich des Dehnungsbogens einen verminderten Querschnitt aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung des Dehnungsbogens nicht in allen Fällen ausreichend ist.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das Keramiksubstrat entlastet wird von Wärmespannungen und sonstigen mechanischen Belastungen, die über die Verbindungselemente auf das Keramiksubstrat gelangen können.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch das im kennzeichnenden Teil genannte Merkmal gelöst.
Vorteile von hochflexiblen metallischen Leitern als Verbindungselemente zu äußeren. Anschlüssen oder auch als interne Verbindung bestehen u. a. darin, daß praktisch keine Kräfte auftreten, wie z.B. Quer- oder Rückstellkräfte oder mechanische Spannungen bei Materialerwärmungen, die zu einer Beschädigung des Keramiksubstrats führen könnten. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Fiederblechstreifen als Verbindungselemente vorgeschlagen. Diese sind einfach herzustellen und es kann mit einer einzigen Ausführungsform oder mit wenigen Varianten eine Vielzahl von sonst üblichen speziell geformten Verbindungsteilen ersetzt werden. Fiederblechstreifen als Verbindungselemente zu äu- ßeren Anschlüssen erlauben es, Substrate mit unterschiedlichen Mustern der Metallisierung bzw. unterschiedlich angeordneten Anschlußstellen mit einem einheitlichen Gehäuse zu kombinieren. Es können auch einheitliche Substrate mit unterschiedlichen Gehäusen kombiniert werden, da eine unterschiedliche Lage der Anschlußstellen problemlos ausgeglichen werden kann. Eine Änderung von Lötformen ist dabei nicht erforderlich.
Während speziell geformte massive Blechteile während der Formgebung verhärten, bleiben Fiederblechstreifen elastisch. Fiederblechstreifen können ohne Änderung ihrer Eigenschaften mehrmals in eine andere Form gebracht werden. Außer Fiederblechstreifen sind z.B. auch geflochtene Litzen geeignet, da sie sowohl hohe Flexibilität als auch hohe Stromtragfähigkeit bei hohen Frequenzen aufweisen. Die Montage kann allerdings wegen fehlender Formstabilität schwieriger sein als bei Fiederblechen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen: Fig. 1 bestücktes Substrat mit Verbindungselementen aus Fiederblechstreifen, Fig. 2 Fiederblechband, Fig. 3 Verbindungselement zu äußeren Anschlüssen, bestehend aus Fiederblechstreifen mit angeschweißter Anschlußlasche, Fig. 4 Substrat mit Verbindungselement gemäß Fig. 3, wobei das Verbindungselement einen Dehnungsbogen aufweist, Fig. 5 Fiederblechstreifen mit angeschweißtem Flachstecker, Fig. 6 Substrat mit aufgelötetem und gebogenem Verbindungselement gemäß Fig. 5, Fig. 7, 8 interne Verbindung aus Fiederblechstreifen.
In Fig. 1 ist ein Keramiksubstrat 1 als Teil eines Leistungshalbleitermoduls dargestellt. Das Substrat 1 trägt eine strukturierte Metallisierung 2 und ist mit Bauelementen 3 bestückt. Auf der Metallisierung 2 sind Verbindungselemente 4 angelöttet, die zu äußeren Anschlüssen des Moduls führen. An den äußeren Enden der Verbindungselemente 4 sind bei Steueranschlüssen Flachstecker 5 durch Punktschweißen befestigt bzw. bei Hauptanschlüssen Blechteile 6 angeschweißt, die mit einem Loch zur Durchführung einer Anschlußschraube versehen sind.
Die Verbindungselemente 4 sind als sogenannte Fiederbleche ausgeführt. Die Fiederbleche werden als Streifen in der benötigten Breite von einem Fiederblechband 7 abgeschnitten, das in Fig. 2 dargestellt ist. Ein solches Band, das in dieser Anmeldung als Fiederblechband 7 bezeichnet wird, weist in einem mittleren Bereich des Bandes Schlitze 8 auf, die z.B. durch Stanzen oder durch Ätzen hergestellt werden können. Wenn die Schlitze 8 in einem Abstand zueinander gestanzt werden, der der Blechdicke entspricht, so wird die Blechoberfläche etwa verdoppelt. Dies führt zur besseren Wärmeabfuhr im Vergleich zum nicht geschlitzten Blech. Außerdem kann bei höheren Frequenzen die erhöhte Oberfläche wegen des Skineffektes von Bedeutung sein, da sie zu höherer Strombelastbarkeit führt. Bessere Wärmeabfuhr und Strombelastbarkeit führen zu einer Gewichtsersparnis.
Von größter Bedeutung ist jedoch die leichte Formbarkeit von Fiederblechstreifen. Verbindungselemente 4 aus Fiederblechstreifen können z.B. wie in Fig. 1 dargestellt flach liegend zugleich mit Bauelementen 3 auf dem metallisierten Substrat 1 angelötet werden. Da die Verbindungselemente 4 flach liegen können nach dem Lötvorgang z.B. mit einer Bondmaschine ungehindert Drahtverbindungen zwischen Bauelementen 3 und der Metallisierung 2 hergestellt werden. Später werden die Verbindungselemente 4 nach oben gebogen. Dabei wird das Substrat 1 wesentlich geringer als bei massiven Blechen mechanischen Belastungen unterworfen.
Wenn das Fiederblechband 7 durch Ätzen der Schlitze 8 hergestellt wird, entstehen Zwischenräume zwischen den hergestellten Stegen, wodurch eine geringere Oberflächenvergrößerung als bei gestanztem Band 7 erreicht wird. Gestanzte Bänder 7 werden deshalb im allgemeinen zu bevorzugen sein. Fiederblechbänder 7 können im nichtgeschlitzten Randbereich Löcher 9 aufweisen, die z.B.
bei Leistungshalbleitermodulen kleiner Leistung direkt zur Durchführung von Anschlußschrauben verwendet werden können. Bei Leistungshalbleitermodulen größerer Leistung wird man ein Blechteil 6 anschweißen, wie in Fig. 3 dargestellt. Nach dem Anlöten auf der Metallisierung 2 des Substrats 1 läßt sich das Verbindungselement 4, das aus einem Fiederblechstreifen besteht, leicht in eine gewünschte Form biegen. Dabei kann z.B. ein Dehnungsbogen vorgesehen werden wie in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einem Verbindungselement 4, bestehend aus einem Fiederblechstreifen, der an einem Ende auf der Metallisierung 2 des Substrats 1 angelötet ist und am anderen Ende einen angeschweißten Flachstekker 5 aufweist. In Fig. 6 ist die gleiche Anordnung dargestellt, nach dem der Flachstecker 5 in eine geeignete Form gebracht wurde, um das bestückte Substrat 1 in ein Modulgehäuse einsetzen zu können. Dabei wurde das Verbindungselement 4 geschränkt. Als vorteilhaft erweist sich dabei, daß in bestimmte Formen gebrachte Verbindungselemente 4, wie z.B. in den Fig. 4 und 6 dargestellt, ausreichend formstabil sind, um ein Substrat 1 mit mehreren Verbindungselementen 4 problemlos in ein Gehäuse einsetzen zu können. Die z.B. mit einem Flachstecker 5 oder einem Blechteil 6 versehenen Enden der Verbindungselemente 4 werden dabei durch entsprechende Öffnungen im Gehäuse gesteckt. Blechteile 6 werden nach dem Durchführen durch Gehäuseöffnungen rechtwinklig abgebogen zur Bildung von Hauptanschlüssen. Flachstecker 5 werden in entsprechend geformte Taschen im Gehäuse eingesetzt, wodurch sie fest mit dem Gehäuse verbunden sind und Kräfte bei späterem Aufstecken von Anschlußleitungen aufnehmen können. Der Innenraum des Leistungshalbleitermoduls kann wie üblich mit einer elastischen Vergußmasse ausgegossen werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Anwendung von Fiederblechstreifen als interne Verbindungen 10 auf dem Substrat 1.
Damit können z.B. Verbindungen 10 zwischen Anschlußflächen auf dem Bauelement 3 und der Metallisierung 2 des Substrats 1 hergestellt werden. Vorteilhaft ist auch bei dieser Anwendung, daß bei Anordnung eines Dehnungsbogens praktisch keine Kräfte zwischen den Endpunkten der Verbindungen 10 übertragen werden. Dabei können einheitliche Fiederblechstreifen für unterschiedliche Verbindungen 10 verwendet werden, wodurch die sonst notwendige Anfertigung, Lagerhaltung und Montage einer Vielzahl unterschiedlich geformter Spezialteile vermieden wird.
- L e e r s e i t e -

Claims

Ansprüche Leistungshalbleitermodul, das ein auf der Oberseite mit einer strukturierten Metallisierung versehenes Keramiksubstrat aufweist, das als Bodenplatte in ein isolierendes Gehäuse eingesetzt ist, bei dem Verbindungselemente zwischen Anschlußstellen auf dem Substrat und äußeren Anschlüssen am Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (4) aus hochflexiblen metallischen Leitern bestehen.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat auch interne Verbindungen (10) aus hochflexiblen metallischen Leitern ausgeführt sind.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hochflexible metallische Leiter Fiederblechstreifen (4) vorgesehen sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hochflexible metallische Leiter geflochtene Litzen vorgesehen sind.