DE3440925C2

DE3440925C2 -

Info

Publication number: DE3440925C2
Application number: DE3440925A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. 6840 Lampertheim De Eisele
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1987-05-21
Also published as: DE3440925A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiter modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Lei stungshalbleitermodule sind aus den deutschen Offenle gungsschriften 28 40 514 und 31 27 457 bekannt. Bei die sen Modulen sind auf einem metallisierten Keramiksub strat aktive und passive Bauelemente einschließlich der erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen diesen Bauelementen aufgelötet. Außerdem sind auf dem Substrat Verbindungselemente befestigt, die zu äußeren Anschlüs sen führen. Diese Verbindungselemente sind in der Regel senkrecht nach oben und durch Öffnungen in einem elek trisch 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 ent steht Verlustwärme. Durch unterschiedliche Ausdehnungs koeffizienten der einzelnen Komponenten des Moduls kann es zu Wärmespannungen kommen, die z. B. zu einer Wechsel beanspruchung von Lötstellen oder zum Bruch der Keramik führen können. Zur Verminderung dieses Effekts ist aus der DE-OS 31 27 457 bekannt, Verbindungselemente mit Dehnungsbogen vorzusehen, die außerdem im Bereich des Dehnungsbogens einen verminderten Querschnitt auf weisen. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung des Deh nungsbogens nicht in allen Fällen ausreichend ist.

Aus der DE-OS 29 45 972 ist eine Halbleiter-Baueinheit bekannt, in der eine elektrische Verbindung zwischen einem äußeren Anschluß und einem Halbleiterbauelement mit einem verseilten Drahtleiter ausgeführt ist. Mit einer solchen flexiblen Leitung, z. B. einer geflochtenen Litze, wird zwar die gewünschte mechanische Entkopplung erreicht, d. h. es werden keine Kräfte zur Lötstelle übertragen, jedoch ist eine solche Lösung für die Monta ge der einzelnen Komponenten zu einem Modul ungünstig, da solchen flexiblen Leitungen nämlich jegliche Form stabilität fehlt, wodurch die Montage schwierig ist und auf wendige Lötformen erforderlich sind.

Schließlich ist aus der US-PS 44 07 006 eine Anordnung zur Kontaktierung großflächiger Halbleiterscheiben bekannt. Dabei ist ein schmales V-förmig oder quer geschlitzes Kupferband zu einer flachen Spirale aufgewickelt. Diese Spirale ist als scheibenförmiges Gebilde anstelle einer Ausgleichsscheibe zwischen einer Metallplatte und der Halbleiterscheibe angeordnet und mit diesen Teilen verlötet. Es handelt sich um ein relativ starres Gebil de, das aber Ausdehnungsunterschiede zwischen der Halb leiterscheibe und der Metallplatte (Elektrode) aus gleichen kann. Die Anordnung ist auch unter der Bezeichnung "Bürstenkontakt" bekannt und ist nicht ge eignet als elektrischer Leiter zwischen einem Halblei terbauelement und einem Außenanschluß.

Ausgehend von der erwähnten DE-OS 31 27 453, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiter modul anzugeben, bei dem das Keramiksubstrat entlastet ist von Wärmespannungen und sonstigen mechanischen Bela stungen, die über die Verbindungselemente auf das Kera miksubstrat gelangen können, und das einfach herzustel len ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch das im kenn zeichnenden Teil genannte Merkmal gelöst.

Vorteile von Fiederblechstreifen als Verbindungselemente zu äußeren Anschlüssen oder auch als interne Verbindung bestehen u. a. darin, daß praktisch keine Kräfte auftre ten, wie z. B. Quer- oder Rückstellkräfte oder mechani sche Spannungen bei Materialerwärmungen, die zu einer Beschädigung des Keramiksubstrats führen könnten. Fie derblechstreifen sind einfach herzustellen, und es kann mit einer einzigen Ausführungsform oder mit wenigen Va rianten eine Vielzahl von sonst üblichen speziell ge formten Verbindungsteilen ersetzt werden. Fiederblech streifen als Verbindungselemente zu äußeren Anschlüssen erlauben es, Substrate mit unterschiedlichen Mustern der Metallisierung bzw. unterschiedlich angeordneten An schlußstellen mit einem einheitlichen Gehäuse zu kombi nieren. Es können auch einheitliche Substrate mit unter schiedlichen Gehäusen kombiniert werden, da eine unter schiedliche Lage der Anschlußstellen problemlos ausge glichen werden kann. Eine Änderung von Lötformen ist dabei nicht erforderlich. Während speziell geformte mas sive Blechteile während der Formgebung verhärten, blei ben Fiederblechstreifen elastisch. Fiederblechstreifen können ohne Änderung ihrer Eigenschaften mehrmals in eine andere Form gebracht werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich nung. Es zeigt

Fig. 1 bestücktes Substrat mit Verbindungselementen aus Fiederblechstreifen,

Fig. 2 Fiederblechband,

Fig. 3 Verbindungselement zu äußeren Anschlüssen, bestehend aus Fiederblechstreifen mit ange schweißter Anschlußlasche,

Fig. 4 Substrat mit Verbindungselement gemäß Fig. 3, wobei das Verbindungselement einen Dehnungsbo gen aufweist,

Fig. 5 Fiederblechstreifen mit angeschweißtem Flach stecker,

Fig. 6 Substrat mit aufgelötetem und gebogenem Ver bindungselement gemäß Fig. 5,

Fig. 7, 8 interne Verbindung aus Fiederblechstreifen.

In Fig. 1 ist ein Keramiksubstrat 1 als Teil eines Lei stungshalbleitermoduls dargestellt. Das Substrat 1 trägt eine strukturierte Metallisierung 2 und ist mit Bauele menten 3 bestückt. Auf der Metallisierung 2 sind Verbin dungselemente 4 angelötet, die zu äußeren Anschlüssen des Moduls führen. An den äußeren Enden der Verbindungs elemente 4 sind bei Steueranschlüssen Flachstecker 5 durch Punktschweißen befestigt bzw. bei Hauptanschlüssen Blechteile 6 angeschweißt, die mit einem Loch zur Durch führung einer Anschlußschraube versehen sind.

Die Verbindungselemente 4 sind als sogenannte Fiederble che ausgeführt. Die Fiederbleche werden als Streifen in der benötigten Breite von einem Fiederblechband 7 abge schnitten, das in Fig. 2 dargestellt ist. Ein solches Band, das in dieser Anmeldung als Fiederblechband 7 be zeichnet wird, weist in einem mittleren Bereich des Ban des 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 Blech dicke entspricht, so wird die Blechoberfläche etwa ver doppelt. Dies führt zur besseren Wärmeabfuhr im Ver gleich 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 Strom belastbarkeit führen zu einer Gewichtsersparnis.

Von größter Bedeutung ist jedoch die leichte Formbarkeit von Fiederblechstreifen. Verbindungselemente 4 aus Fie derblechstreifen können z. B. wie in Fig. 1 dargestellt flach liegend zugleich mit Bauelementen 3 auf dem metal lisierten Substrat 1 angelötet werden. Da die Verbin dungselemente 4 flach liegen können nach dem Lötvorgang z. B. mit einer Bodenmaschine ungehindert Drahtverbindun gen zwischen Bauelementen 3 und der Metallisierung 2 hergestellt werden. Später werden die Verbindungselemen te 4 nach oben geschoben. Dabei wird das Substrat 1 we sentlich 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 Oberflä chenvergrößerung als bei gestanztem Band 7 erreicht wird. Gestanzte Bänder 7 werden deshalb im allgemeinen zu bevorzugen sein. Fiederblechbänder 7 können im nicht geschlitzten 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 dar gestellt. Nach dem Anlöten auf der Metallisierung 2 des Substrats 1 läßt sich das Verbindungselement 4, das aus einem Fiederblechstreifen besteht, leicht in eine ge wünschte Form biegen. Dabei kann z. B. ein Dehnungsbogen vorgesehen werden wie in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit einem Verbindungelement 4, bestehend aus einem Fiederblechstreifen, der an einem Ende auf der Metallisierung 2 des Substrats 1 angelötet ist und am anderen Ende einen angeschweißten Flachstec ker 5 aufweist. In Fig. 6 ist die gleiche Anordnung dar gestellt, nachdem der Flachstecker 5 in eine geeignete Form gebracht wurde, um das bestückte Substrat 1 in ein Modulgehäuse einsetzen zu können. Dabei wurde das Ver bindungselement 4 geschränkt. Als vorteilhaft erweist sich dabei, daß in bestimmte Formen gebrachte Verbin dungselemente 4, wie z. B. in den Fig. 4 und 6 darge stellt, ausreichend formstabil sind, um ein Substrat 1 mit mehreren Verbindungselementen 4 problemlos in ein Gehäuse einsetzen zu können. Die z. B. mit einem Flach stecker 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 ab gebogen zur Bildung von Hauptanschlüssen. Flachstecker 5 werden in entsprechend geformte Taschen im Gehäuse ein gesetzt, wodurch sie fest mit dem Gehäuse verbunden sind und Kräfte bei späterem Aufstecken von Anschlußleitungen aufnehmen können. Der Innenraum des Leistungshalbleiter moduls kann wie üblich mit einer elastischen Vergußmasse ausgegossen werden.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Anwendung von Fiederblech streifen als interne Verbindungen 10 auf dem Substrat 1. Damit können z. B. Verbindungen 10 zwischen Anschlußflä chen 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 Ver bindungen 10 übertragen werden. Dabei können einheitli che Fiederblechstreifen für unterschiedliche Verbindun gen 10 verwendet werden, wodurch die sonst notwendige Anfertigung, Lagerhaltung und Montage einer Vielzahl un terschiedlich geformter Spezialteile vermieden wird.

Claims

1. Leistungshalbleitermodul, das ein auf der Ober seite mit einer strukturierten Metallisierung versehenes Keramiksubstrat aufweist, das als Bodenplatte in ein isolierendes Gehäuse eingesetzt ist, bei dem Verbin dungselemente zwischen Anschlußstellen auf dem Substrat und äußeren Anschlüssen am Gehäuse vorgesehen sind, da durch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente aus hochflexiblen metallischen Fiederblechstreifen (4) bestehen.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat auch interne Verbindungen (10) aus hochflexiblen metallischen Fiederblechstreifen ausgeführt sind.