DE4300516A1

DE4300516A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE4300516A1
Application number: DE4300516A
Authority: DE
Inventors: Arno Dipl Phys Dr Neidig
Original assignee: ABB IXYS Semiconductor GmbH
Current assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Priority date: 1993-01-12
Filing date: 1993-01-12
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2013-01-13
Also published as: DE4300516C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermo dul, das ein elektrisch isolierendes Substrat enthält, das wenigstens auf seiner oberen, dem Modulinneren zugewandten Hauptfläche metallisierte Flächen aufweist, auf denen Lei stungshalbleiterbauelemente aufgelötet sind, und das An schlußlaschen zur Bildung äußerer Modulanschlüsse aufweist.

Ein solches Leistungshalbleitermodul ist aus der DE-OS 37 17 489 bekannt. Als Substrat ist dort eine Keramikplatte eingesetzt, die zugleich den Boden des Moduls bildet. Die Keramikplatte trägt Leiterbahnen in Form von dünnen Kupfer blechen, die nach einem Direktverbindungsverfahren mit der Keramikplatte festhaftend verbunden sind. Das in solchen Modulen verwendete Kupferblech hat eine Dicke von einigen Zehntel Millimeter, typisch 0,3 mm. Die Dicke des Kupfer blechs kann nicht beliebig vergrößert werden, weil sonst zu hohe mechanische Spannungen in der Keramik entstehen können.

Die Anschlußlaschen für die äußeren Stromanschlüsse des Mo duls sind typisch aus einem 1 bis 2 mm dicken Blech herge stellt und mit ihrem Fußpunkt auf Flächen der Substratme tallisierung mit Weichlot aufgelötet. Ein bevorzugtes Ver fahren zum Auflöten der Anschlußlaschen ist die Impulslö tung. Zur Durchführung der Impulslötung wird ein Lötwerk zeug in das oben offene Modulgehäuse eingeführt. Die Abmes sungen der Elektroden des Lötwerkzeugs und damit der not wendige Platz im Modul, der den Zugang zur Lötstelle ermög licht, ist abhängig von der Größe der Lötfläche auf der Substratmetallisierung. Die realisierbare Fläche der Löt stelle ist deshalb auf relativ kleine Flächen begrenzt. Kleine Anschlußflächen auf einer dünnen Substratmetallisie rung führen aber zu einem geringen Stromspreizeffekt und damit zu einer geringen Stromtragfähigkeit des Moduls.

Eine Kontaktstelle mit der Fläche 5×6 mm² kann z. B. zer stört werden, wenn kurzzeitig, d. h. etwa 10 ms lang ein Strom von 20 kA fließt. Ein Strom von dieser Größenordnung fließt z. B. im Kurzschlußfall, wenn keine Schmelzsicherun gen, sondern sogenannte Unterbrecher-Schütze den Strom ab schalten. Die Zerstörung der Kontaktstelle tritt durch Ver dampfen der Metallisierung in der Nähe der Kontaktstelle ein.

Weitere kritische Lötstellen im Modul sind solche, an denen Metallstücke, die einen unterschiedlichen Ausdehnungskoef fizienten haben, miteinander durch Weichlöten zu verbinden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs halbleitermodul anzugeben, das in der oben beschriebenen Lötkontakttechnik ausgeführt ist, wobei Maßnahmen zur Ver besserung kritischer Lötkontaktstellen getroffen sind, ins besondere eine verbesserte Stromtragfähigkeit der Anschluß stellen der Modulanschlüsse erzielt ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermo dul mit

- einem elektrisch isolierenden Substrat, das Metalli sierungen aufweist,
- Leistungshalbleiterbauelementen, die auf mit Metalli sierungen versehenen Flächen des Substrats aufgelötet sind, und
- Anschlußlaschen zur Bildung äußerer Modulanschlüsse, wobei im Modul wenigstens ein Kontaktstück als Verbindungs glied zwischen einer Anschlußlasche und einer Substratme tallisierung oder einem Leistungshalbleiterbauelement ein gesetzt ist.

Das erfindungsgemäß angeordnete Kontaktstück bewirkt quasi eine Lötflächentransformation, da es einerseits einen groß flächigen Lötkontakt auf einer relativ dünnen Substratme tallisierung ermöglicht und andererseits einen kleinflächi gen Lötkontakt zwischen zwei relativ dicken Metallstücken. Als Kontaktstück im Sinne der Erfindung kann auch ein im Modul als Verbindungsteil ohnehin benötigtes Metallteil ausgebildet werden.

Zur Vermeidung kritischer Lötkontaktstellen trägt die Anordnung eines Zwischenstücks zwischen einer an Silizium angepaßten Kontaktplatte oder Ausgleichsronde und einem Kontaktstück bei. Der Ausdehnungskoeffizient des Zwischen stücks ist an denjenigen des Kontaktstücks angepaßt, vor zugsweise durch Wahl desselben Materials. Die Kontaktplatte und das Zwischenstück sind durch Hartlöten miteinander ver bunden.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 ein bestücktes Substrat für ein Leistungshalb leitermodul,

Fig. 2 die elektrische Schaltung des Leistungshalblei termoduls gemäß Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ebene A′-A′′ die in Fig. 1 eingetragen ist,

Fig. 4 eine Detaildarstellung eines Kontaktstücks mit einer Anschlußlasche,

Fig. 5 einen Modulgehäuseteil mit eingesetztem Sub strat,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Außenansicht des fertiggestellten Moduls, und

Fig. 8 eine Kontaktplatte mit Zwischenstück.

Die Zeichnungen beziehen sich alle auf ein Ausführungsbei spiel eines Leistungshalbleitermoduls, dessen elektrische Schaltung in Fig. 2 gezeigt ist. Die elektrische Schaltung ist eine Reihenschaltung zweier Dioden 3.1, 3.3, die eine in der Leistungselektronik als Teilbrückenschaltung häufig vorkommende Grundschaltung ist. Ein Leistungshalbleitermo dul, mit dem diese Grundschaltung realisiert ist, weist ne ben den Dioden 3.1, 3.2 noch Metallteile zur Herstellung der elektrischen Verbindungen und zur Schaffung äußerer Stromanschlüsse A, K, A-K auf.

Fig. 1 zeigt ein bestücktes Substrat 1, das für einen Ein bau in einen Modulgehäuserahmen 10 (siehe Fig. 5 und 6) aus Kunststoff vorbereitet ist. Das Substrat 1 ist sowohl auf seiner Unterseite als auch auf seiner Oberseite mit ei ner Metallisierung 2 versehen. Das Substrat 1 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumoxidkeramik und hat die Abmessungen 47×65 mm², kann aber auch aus einem anderen elektrisch isolierenden Material bestehen, und auch andere Abmessungen haben. Die Metallisierung 2 besteht aus etwa 0,3 mm dicken Kupferfolien, die unter Anwendung eines Di rektverbindungsverfahrens mit dem Keramiksubstrat 1 verbun den sind. Die Dicke der Kupferfolie liegt typisch im Be reich 0,25 bis 0,5 mm. Die obere Metallisierung 2 ist in mehrere Einzelflächen unterteilt, entsprechend den Erfor dernissen der elektrischen Schaltung, die mit dem Modul re alisiert wird. Auf solchen Einzelflächen der Metallisierung 2 sind die Diodenchips 3.1, 3.2 jeweils mit ihrer Anoden seite mittels Weichlot aufgelötet. Außerdem sind auf den Metallisierungsflächen 2 oder den Dioden 3.1, 3.2 aus etwa 1 bis 2 mm dickem Kupferblech bestehenden Kontaktstücke 4.1, 4.2, 4.3 mittels Weichlot aufgelötet.

Die Diodenchips 3.1, 3.2 haben im Ausführungsbeispiel Ab messungen von 29×23 mm². Auf die Chips 3.1, 3.2 sind auf der in Fig. 1 jeweils oben liegenden Kathodenseite Kon taktplatten 7 aufgelötet. Der thermische Ausdehnungskoeffi zient der Kontaktplatten 7 ist weitgehend an denjenigen von Silizium angepaßt. Die Kontaktplatten 7 können z. B. aus Mo lybdän oder noch besser aus einem Trimetall aus Cu/NiFe/Cu hergestellt sein. Auf den Kontaktplatten 7 wurde in einem vorausgegangenen Montageschritt, also vor dem Auflöten der Kontaktplatten 7 auf den Diodenchips 3.1, 3.2, jeweils ein Zwischenstück 6 (siehe Fig. 3 und 8) aus Kupfer mittels Hartlot auf der Oberseite der Kontaktplatten 7 aufgebracht. Durch die Anordnung des hartgelöteten Zwischenstücks 6 wird eine Weichlotverbindung zwischen Materialien mit unter schiedlichem Ausdehnungsvermögen, also z. B. eine Weichlot verbindung zwischen Molybdän und Kupfer, vermieden. Dies ist von Bedeutung, da zur Erlangung geringer Innenwider stände der Kathodenstrom mittels massiver Kupferteile weitergeleitet werden muß.

In Fig. 3 ist ein auf die Kontaktplatte 7 stumpfaufgelö tetes Zwischenstück 6 gezeigt. Bei der Formgebung und An ordnung des Zwischenstücks kam es ferner darauf an, die Verwölbung der Kontaktplatte möglichst gering zu halten. Dies wurde erreicht, indem das Zwischenstück 6 zentral so auf der Kontaktplatte 7 angeordnet wird, daß die Strom spreizung radial nach allen Seiten erfolgt. Die Fläche der Stromeinspeisung in die Kontaktplatte muß für die Strombe lastung groß genug sein, aber andererseits so klein, daß es nicht zur bimetallähnlichen Verspannung der Kontaktplatte 7 kommt. In Fig. 8 ist eine vorteilhafte Gestaltung des Zwi schenstücks 6 dargestellt. Das Zwischenstück 6 ist als zy linderartiges Drehteil mit einer oberen Platte 6.1 gestal tet. Es steckt in einer zentralen Öffnung 25 in der Kon taktplatte 7 aus Trimetall. Der Zylinderteil 6.2 des Zwi schenstücks 6 kontaktiert dabei die obere und untere Kupferschicht in der Kontaktplatte 7 und ist mit der Kon taktplatte 7 hart verlötet.

Ein erstes Kontaktstück 4.1 ist als Bindeglied zwischen dem Kathodenanschluß (siehe Fig. 3) der ersten Diode 3.1 und einer ersten Anschlußlasche 8.1 (siehe Fig. 5) für den Mo dulanschluß K angeordnet. Das Kontaktstück 4.1 ist mittels Weichlot mit dem Kathodenanschluß der Diode 3.1 verbunden.

Das zweite Kontaktstück 4.2 ist Bindeglied zwischen einer mit der Anode der ersten Diode 3.1 verbundenen Metallisie rungsfläche 2 und einer zweiten Anschlußlasche 8.2 (siehe Fig. 5) für den Modulanschluß A-K. Außerdem ist das zweite Kontaktstück 4.2 Verbindungsglied zwischen der Anode der ersten Diode 3.1 und dem Kathodenanschluß der zweiten Diode 3.2.

Das dritte Kontaktstück 4.3 ist Bindeglied zwischen einer mit der Anode der zweiten Diode 3.2 verbundenen Metallisie rung 2 und einer dritten Anschlußlasche 8.3 für den Modul anschluß A.

Alle Kontaktstücke 4.1, 4.2, 4.3 tragen auf ihrer Oberseite eine Weichlotschicht 5 auf einer Fläche, die für den An schluß einer Anschlußlasche 8.1, 8.2, 8.3 im Impulslöt verfahren vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine in Fig. 1 eingetra gene Ebene A′-A′′, anhand dessen weitere Einzelheiten er läutert werden. In Fig. 3 ist das Substrat 1 mit der strukturierten Metallisierung 2 auf der Oberseite und einer ganzflächen Metallisierung 2 auf der Unterseite darge stellt. Auf einer Teilfläche der Metallisierung 2 ist die erste Diode 3.1 mit der Anodenseite mittels Weichlot auf gelötet. Ebenfalls mittels Weichlot ist auf der Kathode der Diode 3.1 eine Kathodenplatte 7 aus Trimetall aufgelötet. Über eine Hartlotverbindung 12 ist ein Zwischenstück 6 aus Kupfer mit dem Kontaktstück 7 verbunden. Das Zwischenstück 6 ist mittels Weichlot mit dem ersten Kontaktstück 4.1 ver bunden. Ein in Fig. 3 auf der rechten Seite befindliches Ende des Kontaktstücks 4.1 ist nach unten gebogen und liegt dort auf einer mit Bezugszeichen 9 versehenen Teilfläche der Metallisierung 2 auf. Das Kontaktstück muß nicht durch eine Lötschicht mit der Metallisierung 2 verbunden sein, da an dieser Stelle kein Strom fließt. Ein nicht angelötetes Ende des Kontaktstückes kann als Dehnungsausgleich dienen und vermeidet eine Verspannung und Wölbung des Substrats 1.

Fig. 4 zeigt in einer Detaildarstellung das dritte Kon taktstücke 4.3 mit der Lotschicht 5 und darüber die dritte Anschlußlasche 4.3 noch vor dem Anlöten. Der obere, mit ei nem Loch 13 zur Durchführung einer Stromanschlußschraube versehene Teil der Lasche 8.3 wird vor der Montage im Modul und dem Impulslötvorgang noch um 90° gebogen, damit die La sche 8.3 mit dem Loch 13 im fertigen Zustand des Moduls (siehe Fig. 7) über einer Anschlußmutter 15 liegt, die sich in einem Gehäusedeckel 11 befindet.

Das Kontaktteil 4.3 hat im dargestellten Beispiel die Form eines C. Es wird mit den nach innen gebogenen Füßen auf die Metallisierung 2 des Substrats 1 (siehe Fig. 1) gelötet. Je nach Anforderungen und Platzverhältnissen kann das Kon taktstück auch andere Formen haben.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Modulgehäuserahmen 10 aus Kunststoff, der eine in Fig. 6 sichtbare Ausnehmung in seiner Bodenebene hat, in die das bestückte Substrat 1 eingesetzt ist. Die weiteren Ausführungen beziehen sich sowohl auf die Fig. 5 als auch auf die Fig. 6, die einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 in einer Ebene B′-B′′ zeigt.

Der Modulgehäuserahmen 10 weist Befestigungsflansche 16 mit Befestigungslöchern 17 auf. Außerdem hat der Rahmen 10 Ver strebungen 18 mit angeformten Stützen 19. Die Stützen 19 drücken im fertigmontierten Zustand des Moduls auf die Kon taktplatten 7 und verhindern damit eine nach innen gerich tete Wölbung des Substrats 1. Mit fertigmontiertem Zustand ist eine Anordnung gemeint, in der das Modul auf einem nicht dargestellten Kühlkörper montiert ist mittels Schrau ben, die durch die Befestigungslöcher 17 geführt sind. Im montierten Zustand werden Druckkräfte von dem Gehäuserahmen 10 sowie über die Verstrebungen 18 und Stützen 19 auf das Substrat 1 und die Bestückungselemente 3.1, 3.2 übertragen. Der Gehäuserahmen 10 liegt nicht direkt auf dem Rand des Substrats 1 auf. Das Substrat 1 befindet sich in einer Aus nehmung 20 in der Bodenebene des Rahmens 10. Es besteht eine elastische Verbindung zwischen Substratrand und Gehäuserahmen, die vorzugsweise mittels einer etwa 0,5 bis 1 mm dicken Klebstoffraupe aus elastischem Silikon herge stellt ist. Die Verbindung dient hauptsächlich der Abdich tung. Das metallisierte Substrat 1 steht leicht, d. h. etwa 0,1 mm über der Bodenebene des Rahmens 10 über und wird da durch federnd auf den Kühlkörper gedrückt.

In Fig. 5 sind die Verstrebungen 18 durch eine Schraffur hervorgehoben, obwohl es sich nicht um Schnittflächen han delt.

In den Fig. 5 und 6 ist der Modulanschluß A-K zu erken nen, der gebildet ist durch die zweite Anschlußlasche 8.2 mit dem Loch 13 und einer darunter in einer Tasche 21 des Gehäuserahmens 10 befindlichen Mutter 15.

Fig. 7 zeigt eine äußere Ansicht des Moduls nach dem ein Gehäusedeckel 11 auf dem Gehäuserahmen 10 aufgesetzt ist und das Modul mit Vergußmasse 14 gefüllt ist. Durch den Deckel 11 sind die Anschlußlaschen 8.1 und 8.3 für die Mo dulanschlüsse A und K geführt. Unterhalb der Laschen 8.1 und 8.3 befinden sich in Fig. 7 nicht sichtbare Muttern, die in Taschen des Deckels liegen. Der Deckel 11 hat Öff nungen 22, die geeignet sind zur Einführung eines Impuls lötwerkzeugs und zum Einfüllen von Vergußmasse 14.

Die Herstellung des in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Moduls kann auf nachstehende Weise erfolgen. Ein Keramik substrat 1, das z. B. aus Aluminiumoxid besteht, wird unter Verwendung eines Direktverbindungsverfahrens mit einer Me tallisierung 2 aus Kupferblechen oder Kupferfolien verse hen. Die Metallisierung 2 wird chemisch vernickelt mit einer Schichtdicke von einigen Mikrometern. Mit Hilfe einer Löt form wird das in Fig. 1 gezeigte, mit Bestückungselementen versehene Substrat 1 in einem Durchlaufofen mit Schutzgas atmosphäre gelötet. In diesem Lötprozeß werden auch die in Fig. 1 mit Bezugszeichen 5 versehenen Lotschichten auf den Kontaktstücken 4.1, 4.2, 4.3 aufgebracht, also diese Kon taktstücke mit Weichlot benetzt. Das bestückte und gelötete Substrat 1 wird anschließend in die Ausnehmung 20 des Ge häuserahmens 10 eingeklebt, wie oben näher beschrieben ist. Im folgenden Fertigungsschritt wird die zweite Anschlußla sche 8.2 für den Modulanschluß A-K in die Führungsvertie fung 23 eingelegt und mit dem zweiten Kontaktstück 4.2 verlötet. Dies geschieht mittels Impulslötung, bei der der Laschenfuß kurzzeitig auf eine hohe Temperatur erwärmt wird und das auf dem Kontaktstück befindliche Lot zum Aufschmel zen bringt. Die Laschen 8.1 bis 8.3 werden vor dem Anlöten galvanisch verzinnt, um ein gutes Benetzungsverhalten zu erzielen.

Der Gehäusedeckel 11 weist Taschen auf, in die M8-Muttern für Stromanschlußschrauben eingelegt werden und außerdem Schlitze 24, durch die vorgebogene Anschlußlaschen 8.1 und 8.3 gesteckt werden. Der Deckel 11 wird mit den eingehäng ten Laschen 8.1, 8.3 auf den Gehäuserahmen 10 aufgesetzt und mit diesem verklebt. Die Laschen 8.1 und 8.3 werden an schließend mit dem jeweiligen Kontaktstück 4.1 bzw. 4.3 mittels Impulslötung verbunden. Dazu wird ein Impulslöt werkzeug durch Öffnungen 22 im Deckel 11 geführt. In einem letzten Herstellungsschritt wird Vergußmasse 14 durch die Öffnungen 22 eingefüllt.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist es möglich, Ge häusedeckel 11 und Gehäuserahmen 10 als einstückiges Teil zu fertigen. Dann wird die zweite Anschlußlasche 8.2 im einstückigen Gehäuse vorbestückt, bevor das Substrat 1 in die Ausnehmung 20 eingeklebt wird.

In Versuchen mit Modulen gemäß Ausführungsbeispiel hat sich gezeigt, daß eine Stromtragfähigkeit über 25 kA während 10 ms gegeben ist, ohne daß dabei die 0,3 mm dicke Kupfer metallisierung 2 und die Zwischenstücke 6 gemäß Fig. 8 zerstört werden.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2 Metallisierung
3.1 erste Diode
3.2 zweite Diode
4.1 erstes Kontaktstück
4.2 zweites Kontaktstück
4.3 drittes Kontaktstück
5 Weichlotschicht
6 Zwischenstück
6.1 Platte
6.2 Zylinderteil
7 Kontaktplatte
8.1 erste Anschlußlasche
8.2 zweite Anschlußlasche
8.3 dritte Anschlußlasche
9 Auflagefläche
10 Modulgehäuserahmen
11 Gehäusedeckel
12 Hartlotverbindung
13 Loch
14 Vergußmasse
15 Anschlußmutter
16 Befestigungsflansch
17 Befestigungsloch
18 Verstrebung
19 Stütze
20 Ausnehmung
21 Tasche
22 Einfüllöffnung
23 Führungsvertiefung
24 Schlitz
25 Öffnung
A Anoden-Modulanschluß
A-K Anoden/Kathoden-Modulanschluß
K Kathoden-Modulanschluß

Claims

1. Leistungshalbleitermodul mit

- einem elektrisch isolierenden Substrat, das Metalli sierungen aufweist,
- Leistungshalbleiterbauelementen, die auf mit Metalli sierungen versehenen Flächen des Substrats aufgelötet sind, und
- Anschlußlaschen zur Bildung äußerer Modulanschlüsse, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul wenigstens ein Kon taktstück (4.1, 4.2, 4.3) als Verbindungsglied zwischen einer Anschlußlasche (8.1, 8.2, 8.3) und einer Substratmetallisie rung (2) oder einem Leistungshalbleiterbauelement (3.1, 3.2) eingesetzt ist.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Leistungshalbleiterbauelemente (3.1, 3.2), die mit einem Kontaktstück (4.1, 4.2, 4.3) zu ver binden sind, auf der zu kontaktierenden Elektrode eine mit tels Weichlot aufgelötete Kontaktplatte (7) aufweisen, auf der ein Zwischenstück (6) zentral angeordnet ist, das mit tels Hartlot mit der Kontaktplatte (7) und mittels Weichlot mit dem Kontaktstück (4.1) verbunden ist und aus dem glei chen oder bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten ähnlichen Material wie das Kontaktstück (4.1, 4.2, 4.3) besteht.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallisierte Substrat (1, 2) eine Keramikplatte mit direkt damit verbundenen Kup ferblechen ist.

4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul ein Kunststoffgehäuse (10, 11) aufweist, in das das bestückte Substrat (1) als Bodenplatte eingesetzt ist.

5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (10, 11) ein rah menförmiges Gehäuseteil (10) aufweist, in dessen Bodenebene das Substrat (1) in einer Ausnehmung (20) so eingesetzt ist, daß es etwa 0,1 mm weit über der Bodenebene hervor steht und daß der Gehäuserahmen (10) Verstrebungen (18) mit angeformten Stützen (19) hat.