DE3837618A1 - Elektrische oder elektronische anordnung - Google Patents

Elektrische oder elektronische anordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische oder elektronische Anordnung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Anordnungen können aus wenigstens einer Baueinheit, die aus oder mit mindestens einer Hybridschaltung gebildet ist, oder aber aus Baueinheiten bestehen, die jeweils nur ein diskretes Bauelement zur Befestigung auf einem Träger aufweisen und schaltungstechnisch getrennt oder verbunden sein können. Weiter kann jede Baueinheit Halbleiterbauelemente und auch solche, die unter der Bezeichnung Surface Mounting Device bekannt sind, enthalten sowie mit wenigstens einer Baueinheit mit vergleichsweise anderem Aufbau kombiniert sein.
Die Erfindung betrifft insbesondere Anordnungen, bei welchen die auf einem gemeinsamen, thermisch gut leitenden Isolierstoffmaterial befestigten Baueinheiten oder deren Teile beim Herstellen oder im Einsatz hohen Betriebstemperaturen unterworfen sind.
Im folgenden wird am Beispiel der in derHalbleiter- Leistungselektronik als Halbleitermodul bekannten Bauformen auf diese Anordnungen näher eingegangen. Diese weisen üblich wenigstens zwei Baueinheiten mit je einem Halbleiterbauelement auf, die über eine thermisch gut leitende Isolierstoffzwischenschicht potentialfrei auf einer gemeinsamen metallischen Trägerplatte befestigt sind. Solche Module sind z.B. in der DE-OS 27 28 564 beschrieben. Der Aufbau derselben ermöglicht insbesondere die einfache und kompakte Anbringung und elektrische Schaltung von zwei oder mehr Baueinheiten auf der Trägerplatte und in einem Gehäuse.
Bei der Herstellung solcher Module ist nachteilig, daß infolge des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinandergrenzender Materialien mechanische Beanspruchungen, die nach Temperaturbehand­ lungen der Module auftreten, eine irreversible, unzulässige Verwölbung der Trägerplatte zur Folge haben. Die Formänderung macht den Modul unbrauchbar und ist nur durch aufwendige Nacharbeit zu beseitigen. Bei mehreren Chips auf einer gemeinsamen Isolierstoff­ zwischenschicht kann eine extreme Verwölbung der Trägerplatte entstehen, sodaß die notwendige Planheit der Auflagefläche derselben nur durch mehrere zusätzliche Verfahrensschritte mit Warm- und Kaltbearbeitung der Trägerplatte erzielt werden kann. Dabei kommt der Gefügestruktur der bevorzugt aus Kupfer bestehenden Trägerplatte besondere Bedeutung zu.
Bei den bekannten Anordnungen ist die Isolierstoff­ zwischenschicht als Isolierscheibe ausgebildet.
Es sind auch Halbleitermodule bekannt, bei welchen die Isolierstoffscheibe nicht über eine Metallplatte, sondern als gemeinsame Trägerplatte unmittelbar auf einem Kühlbauteil befestigt ist. Derartige Module sind dann häufig zusammen mit anderen Aufbauten direkt z.B. auf einer gleichzeitig zur Ableitung der Verlustwärme dienenden Geräteschrankplatte oder -wand befestigt. Für großflächige Isolierscheiben solcher Bauformen, die im Hinblick auf bestmögliche Wärmeableitung möglichst dünn ausgeführt sind, besteht bei derartigem Aufbau und Einsatz insbesondere Bruchgefahr.
Eine Unterteilung der Isolierstoffzwischenschicht in Isolierstoffteile kleinerer Fläche gegen die vor­ beschriebenen Nachteile ist günstig. Jedoch kann es erforderlich werden, für eine elektrische Schaltung mehrerer Halbleiterbauelemente in einem Gehäuse die als Isolierscheiben ausgebildeten Isolierstoffteile durch Anbringen zusätzlicher, schaltungsbedingt bemessener Stromleiterteile galvanisch zu verbinden. Außer dem dadurch entstehenden, unerwünschten, weiteren Verfahrensaufwand ist mit der dafür erforderlichen Fläche je Isolierscheibe ein Verlust an Montagefläche für Schaltungsbauteile verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische oder elektronische Anordnung anzugeben, welche die genannten Nachteile nicht aufweist, d.h. bei welcher eine unzulässige Verwölbung der Trägerplatte im Aufbau Trägerplatte - Isolierscheibe - Schaltungsbauteile nach Temperaturbehandlung des Aufbaus nicht eintritt und daher auch keine diesbezügliche Nacharbeit anfällt, und bei welcher sowohl ein Verlust an Schaltungsfläche durch Kontaktteile zur gesonderten galvanischen Verbindung von Isolierscheiben kleinerer Fläche als auch ein Bruch der Isolierscheibe bei Verwendung derselben als Trägerplatte und bei Befestigung derselben auf Montageelementen vermieden wird.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer elektrischen oder elektronischen Anordnung der eingangs genannten Art in den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt perspektivisch und im teilweisen Schnittaufbruch einen Aufbau aus Trägerplatte und Isolierscheiben mit oberseitiger Kontaktmetallisierung der letzteren. In den Fig. 2a und 2b ist jeweils in Seitenansicht eine aus mittels Metallisierung verbundenen Isolierscheiben gebildete Trägerplatte dargestellt, und Fig. 3 zeigt in Perspetive eine sich über zwei Isolierscheiben erstreckende Metallisierungsstruktur für eine elektronische Schaltung.
Bei einer Anordnung nach Fig. 1 sind auf der Oberseite einer metallischen Trägerplatte (1) mit einer planen unteren Fläche zur Auflage auf einem Kühlbauteil Isolierscheiben (2) in gegenseitigem Abstand fest aufgebracht. Sie sind so dünn als fertigungsbedingt möglich ausgebildet und an ihren jeweils beiden Kontaktflächen jeweils mit einer lötfähigen Metallisierung (3) versehen. Die Isolierscheiben (2) bestehen vorzugsweise aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid, und die Metallisierung (3) ist in an sich bekannter Weise bevorzugt durch Bonden des Metalls auf der Keramik erzielt. Insbesondere bei großflächigem Aufbau, welcher auf der Oberseite der Isolierscheiben (2) mehrere, Verlustwärme erzeugende Bauelemente trägt, wird mit einer durch Ausbildung und vorgesehene gegenseitige Lage der Bauelemente bestimmten Anzahl und Flächengröße von Isolierscheiben (2), welche Abschnitten einer einzigen, annähernd gleiche Flächenausdehnung wie die Trägerplatte (1) aufweisenden Isolierstoffschicht entsprechen, eine nach dem Auftreten hoher Betriebs­ oder Verfahrenstemperaturen entstehende, unzulässige Verwölbung der Trägerplatte (1) vermieden. Die Metallisierungen (3) an der Oberseite der Isolierscheiben (2) sind über streifenförmige Leiterstege (4) verbunden. Diese sind z.B. durch Maskieren und Herstellen von zwischenliegenden Öffnungen aus einer durchgehenden, ganzflächigen Metallisierung gebildet. Durch solche Leiterstege (4) sind in einfacher Weise weitgehend beliebige, auf beide Metallisierungen ausgedehnte, elektrische Schaltungen realisierbar.
In den Fig. 2a und 2b sind Isolierscheiben (2) , jeweils in einer Ebene in Reihe angeordnet, dargestellt. Diese Isolierscheibenreihen mit jeweils ein- bzw. beidseitiger Verbindung benachbarter Isolierscheiben durch Leiterstege (4) sind auch als Trägerplatten für Module ohne metallische Auflage verwendbar.
Gemäß Fig. 2a sind die Isolierscheiben, die in Länge und Breite unterschiedlich bemessen sein können, an einer Seite mittels einer durchgehenden, aus Metallisierungen (3) und Leiterstegen (4) gebildeten Kontaktbahn verbunden. Senkrecht zur Zeichenebene können mehrere Kontaktbahnen bestehen. Der Abstand zwischen benachbarten Isolierscheiben ist nur durch die Forderung bestimmt, daß er bei jeder Art von Prozessen zur festen Verbindung der Isolierscheiben mit einer Unterlage über die Dicke der Isolierscheiben hinweg erhalten bleiben muß.
Die dargestellte Struktur erlaubt die Herstellung von Schaltungsanordnungen auf mehreren Isolierscheiben (2) mit durch Leiterstege (4) gebildeten Schaltungsteil­ verbindungen.
Fig. 2b zeigt eine Isolierscheibenreihe, bei welcher die beiden mittleren Isolierscheiben beidseitig galvanisch verbunden sind, während die rechte äußere Isolierscheibe an ihrer Oberseite von den übrigen galvanisch getrennt ist. Die Struktur kann für elektrisch getrennte Schaltungen einerseits auf der rechten der beiden äußeren und andererseits auf den übrigen drei Isolierscheiben vorgesehen sein. Die unterschiedliche Metallisierung auf der Unterseite gegenüber der Oberseite weist auch darauf hin, daß unterseitig hinsichtlich der Ableitung von Verlustwärme die Metallisierung auch über­ greifend auf benachbarte Isolierscheiben beliebige Aus­ dehnung zur Optimierung der Wärmeableitung aufweisen kann.
Schließlich zeigt Fig. 3 ein Beispiel für eine Strukturierung einer zwei Isolierscheiben (2) kontaktierenden Metallisierung. Die metallische Trägerplatte (1) ist mit einem metallischen Überzug (5) versehen, der größere Flächenausdehnung als die Isolierscheiben (2) hat und aus einem, insbesondere eine Lötverbindung mit der Bondbeschichtung der Isolierscheiben fördernden Material besteht. Auf der Keramik der Isolierscheiben (2) ist die obere Metallisierung (13) als zur Erstellung einer Bauelemente­ schaltung vorgesehene Struktur ausgebildet. Die beiden Strukturteile sind mittels der Leiterstege (14) - hier drei - miteinander verbunden. Diese Verbindung ist bei der Ausbildung der Struktur bereits vorgesehen. Dadurch liegt eine aus zwei galvanisch verbundenen Abschnitten bestehende Metallisierung vor. Mit (7) sind drei scheibenförmige Halbleiterkörper und mit (8) sind deren Stromleiter zu einem Metallisierungsabschnitt (13) bezeichnet. Die Ausbildung der Strukturbereiche der Metallisierung (13) zeigt Flächen mit z.T. vergleichs­ weise großer Ausdehnung. Diese können für eine Halbleiterschaltung mit mehreren Halbleiterelementen, z.B. für eine sechspulsige Gleichrichterschaltung, vorgesehen sein. Benachbart zu diesen Flächen sind Kontaktflächen zum Herstellen von Schaltverbindungen sowohl für den Leistungskreis als auch für erforderliche Steuerkreise.
Aus der Darstellung sind die besonderen Vorteile der Erfindung erkennbar, nämlich die Möglichkeit einer vollständigen Flächennutzung auf jeder Isolierscheibe (2) und gleichzeitig die schaltungsbezogene Nutzung der Leiterstege (14). Mit (6) sind Öffnungen zur Befestigung des Aufbaus bezeichnet.
Die Erfindung ermöglicht eine beliebige Zuordnung von Isolierscheiben (2) für eine Befestigung auf einer metallischen Unterlage sowie von Bauelementen und Schaltungsteilen auf einer oder mehreren Isolier­ scheiben oder nur einem Flächenteil einer Isolierscheibe ohne Flächenverlust für zusätzliche Verbindungsteile und ohne zusätzlichen Aufwand zum Anbringen solcher Verbindungsteile.

Claims (9)

1. Elektrische oder elektronische Anordnung, bei welcher zwei oder mehr Bauelemente elektrisch isoliert und thermisch kontaktiert auf einer gemeinsamen Trägerplatte befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente auf Isolierstoffteilen befestigt sind, die Abschnitten einer unterteilten Isolierstoffschicht entsprechen, und die Isolierstoffteile in einer durch Ausbildung und vorgesehene gegenseitige Lage der Bauelemente bestimmten Anzahl und Flächengröße in gegenseitigem Abstand angebracht sowie über jeweils wenigstens eine Metallisierung galvanisch verbunden sind.
2. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffteile als Isolierscheiben (2) ausgebildet, wenigstens an einer Seite zu mehreren über eine Metallisierung (3, 4) verbunden sind und eine allen Bauelementen gemeinsame Trägerplatte bilden.
3. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffteile als Isolierscheiben (2) ausgebildet, wenigstens an einer Seite zu mehreren über eine Metallisierung (3, 4) galvanisch verbunden sind und auf einer gemeinsamen Trägerplatte (1) fest angeordnet sind.
4. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelemente aktive und/oder passive Halbleiterbauelemente vorgesehen sind.
5. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelemente elektronische Schaltungen und als Verbindungsleiter für diese Schaltungen auch die Metallisierungen (3, 4) der Isolierscheiben (2) vorgesehen sind.
6. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheiben (2) aus Keramik bestehen und eine lötfähige Metallisierung (3, 4; 13, 14) aufweisen.
7. Elektrische oder elektronische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Keramik bestehenden Isolierscheiben (2) beidseitig mit einer aufgebondeten Metallisierung versehen sind.
8. Elektrische oder elektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheiben (2) auf wenigstens einer Seite eine strukturierte Metallisierung (13, 14) aufweisen.
9. Elektrische oder elektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung der Isolierscheiben (2) als Teil einer Kontaktbahnstruktur vorgesehen ist.
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