DE3723209A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
Die ständig fortschreitende Entwicklung der Halbleiter­ technik hat, auch den Forderungen der Anwender nach platzsparenden und montagefreundlichen Bauformen entgegenkommend, zu Kompaktanordnungen, sogenannten Modulen, geführt. In diesen sind wenigstens zwei ungekapselte Halbleitertabletten elektrisch isoliert und thermisch leitend auf einer gemeinsamen Grundplatte befestigt, mittels ihrer Stromleiter elektrisch geschaltet und in einer Isolierstoffumhüllung unter­ gebracht. Die an einer Seite eines solchen Aufbaus befindlichen Stromleitungsanschlüsse erlauben eine besonders günstige Kontaktierung mehrerer Module zu gewünschten Baugruppen. Diese sogenannte Modultechnik brachte mit der Möglichkeit der einfachen Unterbringung und elektrischen Kombination steuerbarer und nicht- steuerbarer Halbleiterbauelemente und mit ihrer vergleichsweise wirtschaftlicheren Anordnung von Halbleiterbauelementen zu Schaltungsgruppen eine beträchtliche Ausweitung des Einsatzes von Halbleiter­ bauelementen gerade im Bereich der Leistungselektronik mittlerer Stromstärken mit sich.
Erfahrungen mit solchen Modulen haben verschiedene Nachteile gezeigt. Die Unterbringung von mehreren Halbleitertabletten in einem Isolierstoffverguß zwingt bei Ausfall einer Halbleitertablette zum Verwerfen des ganzen Aufbaus. Die Module sind aufwendig herzustellen. Eine mechanisierte Fertigung ist praktisch nicht möglich. Die gehäuseäußere Verbindungstechnik mittels Schienen, Stecker oder Kabel erfordert einen erheblichen Montage­ aufwand. Dieser ist im Hinblick auf die Forderung nach immer kostengünstigeren Bauformen für noch rationelleren Einbau zusammen mit anderen Aggregaten insbesondere bei üblichen Anwendungsfällen ohne besondere Charakteristiken unwirtschaftlich und daher unerwünscht.
Außer Modulen sind hybrid-integrierte Leistungs­ halbleiterbauelemente bekannt, bei welchen eine Anzahl von aktiven Halbleitertabletten in thermisch gekoppelter Anordnung vorgesehen ist. Der Aufwand für die gegen­ seitige elektrische Verbindung ist bei solchen höher integrierten Bauformen minimal. Andererseits ist das Fertigungsrisiko wegen der mit der Anzahl der Tabletten zunehmenden Fehlerhäufigkeit erheblich.
Demzufolge besteht ein Bedürfnis nach Baugruppen oder Modulen, bei welchen die einzelnen Halbleiterbauelemente mit geringstem Aufwand elektrisch geschaltet und zur optimalen Ableitung der Verlustwärme geeignet angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halb­ leiteranordnung anzugeben, bei welcher wenigstens zwei Halbleiterbauelemente mit mechanisiert herstellbarem Aufbau, im Fertigungsverlauf elektrisch prüfbar, bedarfsweise lösbar montagefreundlich verbunden und elektrisch geschaltet sowie auf einer gemeinsamen Auflagefläche räumlich vorbestimmt zugeordnet sind.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Halb­ leiteranordnung der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 14 angegeben.
Anhand der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt die grundsätzliche Zuordnung der Bauteile der Baugruppe.
In den Fig. 2 bis 4 sind teils perspektivisch, teils in Draufsicht, Weiterbildungen eines Aufbaus gemäß Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 5 ist im Querschnitt ein Halbleiterbauelement mit mechanisiert herstellbarem Aufbau und für besonders günstige Kombination mit weiteren Baugruppenteilen gezeigt. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
Gemäß Fig. 1 sind auf der freien Oberseite der Montage­ platte (1 a) eines Kühlbauteils (1) - von deren Unterseite gehen Kühlrippen (1 b) ab - zu beiden Seiten eines Sammelkontaktelements (10) Halbleiterbauelemente (2) angeordnet. Diese sind mit der metallischen Grundplatte (3) des aus Grundplatte und Isolierstoff-Oberteil (4) bestehenden Gehäuses thermisch mit der Montageplatte (1 a) verbunden. Die Enden von aus dem Oberteil (4) überstehenden Leiterteilen (6) sind als Stromleitungsanschlüsse jedes Halbleiterbauelements vorgesehen und zur Verbindung mit dem Sammelkontaktelement (10) geeignet ausgebildet.
Das im Querschnitt dargestellte Sammelkontaktelement (10) besteht aus einem sockelförmigen Unterteil (10 a) und aus einem schaftförmigen Oberteil (10 b), jeweils mit Isolierstoffkapselung ausgeführt. Das Sammelkontakt­ element kann als einstückiges Baugruppenteil vorgesehen oder aber aus den beiden Teilen (10 a) und (10 b) zusammengefügt gebildet sein.
Im Sammelkontaktelement (10) ist eine Leiterverbund­ struktur eingeschlossen. Diese besteht aus ersten Leiterabschnitten (12) zur gegenseitigen elektrischen Verbindung von räumlich entsprechend zugeordneten Halbleiterbauelementen und aus zweiten Leiterabschnitten (13), die jeweils eine Verzweigung der ersten Leiter­ abschnitte bilden.
Die ersten Leiterabschnitte (12) verbinden erste Kontakt­ stellen (11) des Sammelkontaktelements (10), in welchem die Enden überstehender Leiterteile (6) der Halbleiter­ bauelemente (2) befestigt sind. Die zweiten Leiter­ abschnitte (13) verbinden erste Leiterabschnitte mit zweiten Kontaktstellen (14), die als Stromanschluß­ stellen der Baugruppe vorgesehen sind, an einer freien Oberseite des Sammelkontaktelements (10).
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind die Leiterteil­ enden (6) der Halbleiterbauelemente (2) waagrecht in Öffnungen des Sammelkontaktelements eingeführt, in welchen die ersten Kontaktstellen (11) angebracht sind. Die galvanische Verbindung kann mittels Schraub- oder Klemm- oder auch Steckkontakt erfolgen. Sämtliche Verbindungsarten sind in der Installationstechnik bekannt. Die zweiten Kontaktstellen (14) sind bevorzugt als Schraubanschlußstellen ausgebildet.
Die Ausgestaltung des Sammelkontaktelements (10) ermöglicht durch unterschiedliche Anschlußebenen in einfachster Weise kurze und kreuzungsfreie Anordnung von Stromführungselementen. Dazu können Zweitkontakt­ stellen (14) schaltungsabhängig in unterschiedlicher Bauhöhe angebracht sein. Das heißt, das schaftförmige Oberteil des Sammelkontaktelements kann z.B. stufen­ förmig abgesetzt ausgebildet sein und damit wenigstens zwei Anschlußflächen für Stromanschlüsse z.B. unter­ schiedlicher Polarität oder Stromart vorgeben.
Die Halbleiterbauelemente (2) sind z.B. mittels Schraub- oder Spannbefestigung flächig auf der Montageplatte (1 a) befestigt. Sie können auch mittels Kleber fest aufgebracht sein, wenn das thermische Betriebsverhalten dadurch nicht unzulässig beeinträchtigt wird.
Das Sammelkontaktelement (10) kann Zusatzkontaktstellen zur Anordnung von Schutz- oder Steuerbeschaltungselementen aufweisen, z.B. mit einer Art von Mehrfachklemmen.
Bei der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform sind Halbleiterbauelemente entsprechend Fig. 1 vorgesehen, jedoch mit in Richtung der Normalen auf der Auflagefläche abgewinkelten Anschlußleitern (16) aus bandförmigem Leitermaterial.
Das Sammelkontaktelement (20) besteht aus einem platten­ förmigen Kontaktblock (20 a) und aus einem an dessen Unterseite symmetrisch zur Längsachse angebrachten, stufenförmigen Ansatz (20 b). In den dem Ansatz benachbarten, streifenförmigen Flächenbereichen sind entsprechend der räumlichen Zuordnung von Halbleiter­ bauelementen (2 b) Öffnungen angebracht und mit ersten Kontaktstellen (21) zum Eingriff der Anschlußleiter (16) versehen. Als Kontaktstellen sind z.B. Federkörper zum klammerförmigen Haltern der Anschlußleiter der Halbleiterbauelemente vorgesehen.
Auf der freien oberen Fläche des Kontaktblocks (20 a) sind zweite Kontaktstellen (24) als Schaltungs­ anschlüsse für die Baugruppe angebracht, vorzugsweise ebenfalls für deren Schraubbefestigung.
Die Verbindungsleiter zwischen ersten und zweiten Kontaktstellen bilden im wesentlichen dieselbe Struktur, wie sie für die Bauform nach Fig. 1 beschrieben ist.
Das Sammelkontaktelement (20) weist ferner an den, den Halbleiterbauelementen gegenüberliegenden Flächen­ teilen Ausbildungen, z.B. stegförmige Erhebungen (27, 28), zum geführten Anordnen, zum Feststellen und zum Einführen der Anschlußleiter (16) auf.
Die Verbindung von Sammelkontaktelement (20) und Halb­ leiterbauelementen (2 b) zur räumlichen Justierung, mechanischen Befestigung und elektrischen Schaltung der letzteren erfolgt nach dem Aufreihen mit Hilfe der Erhebungen (27) durch Niederdrücken des auf den Anschlußleitern (16) aufsitzenden Sammelkontaktelements zum Eingriff derselben durch Festklemmen.
Die Formgebung und Anordnung der Baugruppenteile Halbleiterbauelement und Sammelkontaktelement ermöglicht auf besonders einfache Weise die gleichzeitige mechanische Feststellung und elektrische Schaltung einer vorgegebenen Anzahl von Halbleiterbauelementen.
Der Ansatz (20 b) des Sammelkontaktelements kann auch zur Verwendung als Anschlag- und Führungsteil für die Anschlußleiter geeignet geformt und bemessen sein.
Das Sammelkontaktelement (20) ist ebenfalls isolierstoff­ gekapselt.
Für eine Anordnung nach Fig. 2a können auch Halbleiter­ bauelemente (2 c) gemäß Fig. 2b verwendet werden. Die stift- oder bolzenförmigen Anschlußleiter (17) mit etwas verjüngt ausgebildetem Ende ragen an der freien oberen Fläche aus dem Isolierstoffgehäuse (4) heraus und sind in entsprechender Weise wie die abgewinkelten Anschluß­ leiter (16) gemäß Fig. 2a zum Einstecken und Festklemmen im Sammelkontaktelement (20) vorgesehen. Dazu können die ersten Kontaktstellen des letzteren z.B. hülsenförmige, auf Haftsitz bemessene Teile aufweisen.
In der Darstellung einer Leiterverbundstruktur nach Fig. 3 für ein Sammelkontaktelement nach Fig. 2a ist die galvanische Verbindung der Halbleiterbauelemente (2 b) mit angedeutet. Die Struktur ist für eine Drei- Phasen-Brückenschaltung mit Gleichrichterelementen vorgesehen. Darin verbindet jedes Leiterteil (22) zwei erste Kontaktstellen (21) als Bauelementanschlüsse von gegenüberliegenden Halbleiterbauelementen (2 b) für Wechselstromanschluß. Weiter bildet jedes Leiterteil (22) mit entsprechender Anordnung und mit Abzweig eine der zweiten Kontaktstellen (24). Ferner bilden in einer weiteren Leiterteilebene die Leiterteile (23) jeweils die Verbindungsleiter gleicher Pole der Halbleiter­ bauelemente (2 b) für die beiden die Gleichstrom­ anschlüsse bildenden zweiten Kontaktstellen (25).
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind insbesondere mittels Bondverdrahtung kontaktierbare Halbleiterbauelemente einsetzbar. Das Sammelkontakt­ element (30) ist leistenförmig mit gegenüber dem Oberteil (30 b) breiterer Sockelplatte (30 a) ausgebildet. Durch letztere ist an beiden Längsseiten ein stufen­ förmiger Absatz gegeben, auf dessen oberer Auflage­ fläche erste Kontaktstellen (31) in Form von sogenannten Kontaktflecken angebracht sind. Diese Bauelement- Anschlußstellen können mit einer Leiterverbundstruktur nach Fig. 3 verbunden sein. Auf der freien oberen Fläche des Oberteils (30 b) sind zweite Kontaktstellen (24) angeordnet. Gemäß der Darstellung ist ein ungekapseltes Halbleiterbauelement (2 d) mittels Bond­ verdrahtung (26) mit dem Sammelkontaktelement (30) an dessen ersten Kontaktstellen (31) verbunden. Bei einer derartigen Halbleiteranordnung sind auch gekapselte Halbleiterbauelemente mit sogenanntem Leiterrahmen für gehäuseäußere Löt- oder Bondanschlüsse verwendbar (2 e), wie dies in Fig. 4 zusätzlich gezeigt ist. Solche Anordnungen sind auf den Einsatz von Bauelementen mittlerer Leistung beschränkt, sodaß die Leiterverbund­ struktur im Inneren des Sammelkontaktelements (30) auch bei Mehrlagenmustern gedrängt ausgebildet und geführt sein kann.
Die Bonddrahtverbindung ermöglicht bei entsprechender Aufreihung der Halbleiterbauelemente mit Kontaktierung auf Kontaktpunkten besonders wirtschaftlich die Herstellung einer beliebigen Zahl von Verbindungen.
Zur elektrischen Schaltung mehrerer Halbleiterbauelemente mit Drahtanschlüssen kann ein Sammelkontaktelement gemäß Fig. 4 anstelle von Kontaktflecken (31) auch für Klemmkontaktierung ausgebildete erste Kontaktstellen aufweisen.
Schließlich wird durch Einsatz von Halbleiterbauelementen mit einem Aufbau nach Fig. 5 die gewünschte Optimierung beim Zusammenbau mehrerer zu Halbleiteranordnungen nach der Erfindung besonders vorteilhaft erreicht. Auf einer metallischen Grundplatte (3) ist eine Halbleitertablette (5) befestigt und mit Anschlußleitern (6) verbunden. Die freien Enden ragen aus dem Isolierstoffgehäuse (4) hervor und sind in diesem durch Einspritzen fest angeordnet. Die Kontaktierung von Tablette (5) und Anschlußleitern (6) ist vorzugsweise durch Bondverdrahtung erzielt. Der aus Tablette und Anschlußleitern bestehende und im Isolierstoffgehäuse angeordnete Aufbau ist in einem besonderen Isolierstoffverguß eingebettet. Derartige Bauelemente sind weitgehend mechanisiert herstellbar und erfüllen die Forderungen nach technologisch einfachstem Aufbau für rationelle Weiterverarbeitung.

Claims (14)

1. Halbleiteranordnung, bei welcher
  • - wenigstens zwei, jeweils wenigstens einen Halb­ leiterkörper aufweisende Halbleiterbauelemente
  • - zu einer Baugruppe verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein allen Halbleiterbauelementen (2) gemeinsames Sammelkontaktelement (10) vorgesehen ist und
  • - die Halbleiterbauelemente am Sammelkontaktelement angeordnet, mechanisch befestigt und mit Hilfe desselben elektrisch geschaltet sind.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gekapselte Halbleiterbauelemente (2) vorgesehen sind.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ungekapselte, aus wärmeleitender Basisplatte (3) und Halbleitertablette (5) mit Strom­ leiterteilen (6) bestehende Halbleiterbauelemente vorgesehen sind.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zur Verbindung der Bau­ gruppenteile Halbleiterbauelement (2) und Sammelkontakt­ element (10) Anschlußleiter (6) des einen Baugruppenteils mit Ausbildungen (11) des anderen Baugruppenteils in Eingriff sind.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sammelkontaktelement (10) eine in Isolierstoff eingeschlossene Leiterverbundstruktur (12, 13) vorgesehen ist, und daß das Sammelkontaktelement (10, 20, 30) an wenigstens einer, den Halbleiterbau­ elementen (2, 2 b, 2 c, 2 d, 2 e) zugewandten Fläche erste Kontaktstellen (11, 21, 31) als Bauelementanschlüsse sowie auf wenigstens einer oberen Fläche zweite Kontakt­ stellen (14, 24) als Stromanschlußstellen aufweist.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbindung mit dem Sammel­ kontaktelement (10, 20, 30) vorgesehenen Abschnitte der Anschlußleiter (6, 16, 26) jedes Halbleiterbauelements im wesentlichen in gleicher Richtung verlaufend angeordnet sind.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Anschlußleiter geradlinig überstehend ausgebildet sind.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (16) der Anschluß­ leiter abgewinkelt überstehend ausgebildet sind.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (2) und das Sammelkontaktelement (10) mittels Schraubelementen verbunden sind.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (2) und das Sammelkontaktelement (10) mittels Klemmkontakt­ elementen verbunden sind.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (2 b, 2 c) und das Sammelkontaktelement (20) mittels Steckkontakt­ elementen verbunden sind.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (2 b) und das Sammelkontaktelement (20) in dem zu ihrem gegenseitigen Verbinden vorgesehenen Struktur- oder Oberflächenbereich Ausbildungen (27, 28) zum geführten Anordnen, zum Feststellen und zum Eingriff von Anschluß­ leitern (16) aufweisen.
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Ausbildungen (27, 28) vorgesehen sind, die ein gleichzeitiges Verbinden des Sammel­ kontaktelements (20) mit mehreren Halbleiterbauelementen (2 b) z.B. durch Aufsetzen des Sammelkontaktelements auf aufgereihte Halbleiterbauelemente und Niederdrücken auf dieselben ermöglichen.
14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelkontaktelement (30) und ungekapselte Halbleiterbauelemente (2 d) mittels Bond­ verbindung verbunden sind.
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