DE4407810A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Elektronische Schalter in Form von Schaltungsanordnungen werden
in immer kompakteren Bauausführungen benötigt und hergestellt.
Die Schaltungsdichte und damit der Integrationsgrad solcher
Schaltungsanordnungen erhöht sich kontinuierlich. Dieser
Konzentrationsprozeß verlangt einerseits einen immer besseren
Wärmeübergang der auftretenden Verlustwärme zu den
Kühlbauteilen, andererseits eine immer dichtere Verdrahtung mit
teilweise Hochspannung führenden Verbindungen. Untereinander
müssen die Verbindungen dabei gut isoliert sein und einen
schaltungsgerechten elektrischen Aufbau aller internen und
externen Kontakte ermöglichen. In allen Gleichstrom führenden
Verbindungselementen ist zusätzlich ein induktivitätsarmer
Aufbau gefordert und für die Funktionssicherheit wünschenswert.
Diese Voraussetzungen für solcherart aufgebaute elektronische
Schaltungsanordnungen werden dem Stand der Technik entsprechend
mit aufwendigen Verfahren und Methoden bei Einsatz von sehr
komplexen Einzelbauteilen realisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine raum- und
materialsparende Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
zu schaffen, die wirtschaftlich sehr vorteilhaft herstellbar ist
und neue Möglichkeiten für eine weitergehende Integration von
Einzelelementen zu größeren Packungsdichten ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit den Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles
des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Anhand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Beispiele wird die
Erfindung erläutert.
Fig. 1 stellt eine Prinzipskizze einer Brückenschaltung dar.
Fig. 2 skizziert den Querschnitt eines Schaltungsausschnittes
Fig. 3 stellt im Querschnitt den weiteren Aufbau im Prinzip dar.
Fig. 4 skizziert einen doppelseitigen Schaltungsaufbau.
Fig. 1 zeigt die Draufsicht einer Schaltungseinheit, wie sie
beispielhaft eine Drehstrombrücke darstellt. Es entspricht dem
Stand der Technik, daß auf einer, im Verbund mit mehreren
Schaltungseinheiten gebildeten, Isolierkeramik (1) eine
einseitige Struktur in der Kupfer- Schicht (2) der beispielhaft
nach dem DCB- Verfahren vorgefertigten Platine vorhanden ist.
Auf diese Kupferflächen werden in einem ersten Arbeitsschritt
Aufbauteile in bekannter Weise weich gelötet. Die Aufbauteile
sind dabei Halbleiterbauelemente (3), hier skizziert rund
geformte Leistungsdioden, als Sandwiches mit Molybdän
vorgefertigt, Verbindungselemente (4) mit Ausgleichsbögen und in
der Form erfindungsgemäß gestaltete Anschlußelemente (5).
Die Bauelemente (3) können in Erweiterung von Ausführungsvarian
ten auch Thyristorchips, Bipolartransistoren, IGBT- Chips oder
MOSFET sein. Bei einem Einsatz solcher Halbleiterbauelemente
versteht sich die Notwendigkeit einer anderen Kupferstruktur (2)
der DCB- Keramik, bei der Kontaktstellen für die Hilfsanschlüsse
(z. B. Hilfskathode, Gate- oder Basiskontakte) ausgebildet sein
können. Dabei ist bei dem Einsatz solcher Bauelemente (3) auch
beachtlich, daß einige Verbindungselemente (4) gebondete oder
geschweißte Verdrahtungen sein können und Hilfsanschlüsse mit
Ausgleichsbögen Einsatz finden.
Wichtig ist die Formgebung der Anschlußelemente (5). Durch sie
werden neben den Hilfsanschlüssen die elektrischen Verbindungen
zu den Halbleiterbauelementen (3) hergestellt. Die Gestaltung
kann verschieden (im Querschnitt rund, oval oder eckig) sein,
gewährleistet werden muß eine Lötfläche mit gegenüberliegender
parallel verlaufenden Abschlußfläche. Die Höhe eines so
geformten Anschlußelementes (5) ist entscheidend für die Gesamt
höhe der Schaltungseinheit, die bei ca. 5 bis 10 mm liegen kann.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden und dauerhaften Isolation
der stromführenden Teile der Halbleiterschaltung untereinander,
ist es sehr sinnvoll, den gesamten freien Keramikrand der DCB-
Keramik auf der Bauelemente- Aufbauseite mit einem Siliconkleber
(6) in Form einer Raupe zu bedecken. Dadurch wird ein bündiges
Gefüge zwischen Keramikmaterial und Siliconkautschuk erreicht.
Fig. 2 dient der Erläuterung des erfinderischen Gedankens. Im
Querschnitt ist in dieser Skizze wiederum ein Ausschnitt aus
einem Schaltungsaufbau dargestellt. Die Isolierkeramik (1) mit
einseitig geschlossener Kupferauflage (7) ist auf der
Aufbauseite mit strukturiertem Kupfer (2) versehen. Hierauf sind
Halbleiterbauelemente (3) mittels Weichlot (9) aufgelötet.
In gleicher Weise ist ein Anschlußelement (5) mittels Lot (8)
fixiert. Dieses Anschlußelement (5) hat in diesem Ausführungs
beispiel ein sackförmiges Gewinde (8), das zur Befestigung der
äußeren Schaltungsanschlüsse vorgesehen ist. Der gesamte Raum
bis zur Höhe der oberen Abschlußfläche der Anschlußelemente (5)
wird mit an sich bekanntem Siliconkautschuk (10) ausgefüllt.
Dabei sind die im Querschnitt sichtbaren Verbindungselemente (4)
vollständig in der Masse (10) eingebettet. In gleicher Ebene zu
der Oberfläche des Siliconkautschuks (10) ist lediglich die
Oberfläche der Anschlußelemente (5) von Siliconkautschuk (10)
unbenetzt.
Eventuell schaltungstechnisch vorgesehene Hilfsanschlüsse, wie
sie bei Verwendung von Transistoren oder Thyristoren in der
Schaltungsanordnung erforderlich sind, ragen gleichfalls aus der
Oberfläche des Siliconkautschuks (10) heraus. Die durch diese
Konstruktionsmerkmale definierte Masse an Siliconkautschuk (10)
wird durch Mischen aus seinen beiden Komponenten A und B in
solch einem Verhältnis gebildet, daß nach dem Aushärten die
geringstmögliche Penetration erreicht wird. Mit diesem Gemisch
wird der in waagerechter Lage positionierte Schaltungsaufbau
innerhalb der Topfzeit vergossen. Durch Entgasen und Aushärten
des Siliconkautschuks (10) ist die so hergestellte
Schaltungseinheit hermetisiert und für den Sekundäreinbau in
größere Schaltungseinheiten vorbereitet.
Für den weiteren Aufbau von Schaltungsanordnungen mittels
solcher wie vorbeschriebener Einheiten ergeben sich verschiedene
Alternativen. In Fig. 3 wird eine Variante beschrieben. Im
Querschnitt ist ein möglicher Schaltungsaufbau skizziert. Auf
einer Keramik (1) mit einer geschlossenen einseitigen
Kupferbelegung (7) befindet sich auf der gegenüberliegenden
Seite eine strukturierte Kupferschicht (2). Auf dieser
Kupferoberfläche werden alle Schaltungs-, Verbindungs- und
Anschlußelemente stoffschlüssig befestigt.
Die Schaltungseinheit ist am gesamten oberen Keramikrand zur
Sicherstellung der langzeitigen Isolationseigenschaften
gegenüber der Grundplatte (11) mit Silikonkleber (6) abgedeckt
und danach ganzflächig mit Siliconkautschuk (10) vergossen. Mit
einer Leiterplatte (12) werden alle aus der Oberfläche des
Siliconkautschuks herausragenden Verbindungselemente, in der
Skizze nicht gezeichnet, kontaktiert.
Die an sich bekannte Leiterplatte kann in flexibler oder starrer
Ausfertigung einseitig oder mehrschichtig Leiterbahnen ohne oder
mit entsprechenden Durchmetallisierungen zur schaltungsgerechten
Verbindung einzelner Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen
ausgebildet sein.
In gleicher Weise, wie der Einsatz von Leiterplatten (12) ist
der Einsatz von flächenhaft ausgeführten Zwischenkreisen aus
Kupfer mit entsprechender Isolation, das ist zur Realisierung
induktivitätsarmer Gleichstromverbinder notwendig, möglich.
Die Verbindung zu den Verbindungs- (4) oder Anschlußelementen
(5) kann in bekannter Weise mittels Verschrauben oder über
Druckkontakte hergestellt werden. Die Verbindung der
Hilfsanschlüsse ist auch mittels Löttechnik möglich.
Mittels an sich bekanntem Brückenelement (13) ist es weiterhin
möglich, die gesamte Schaltungseinheit oder Teile von ihr über
Druckkontakt mit einer Kühleinrichtung (11) thermisch gut
leitend zu verbinden. Dazu dienen Verbindungsbolzen (14) mit
entsprechenden Federelementen zur Aufrechterhaltung eines
konstanten Anpreßdruckes auch bei wechselnder thermischer
Belastung. Der Siliconkautschuk (10) dient bei solch einer
Druckkontaktierung gleichzeitig als Kissenelement zum
Druckausgleich der sich thermisch unterschiedlich ausdehnenden
Einzelbauteile des Schaltungsaufbaus.
Fig. 4 skizziert letztlich einen Ausschnitt einer sehr kompakt
aufgebauten Schaltungsanordnung im Ausschnitt. Über beidseitig
angebrachte Kühleinrichtungen (11), deren Form und Kühlmethode
nach dem Stand der Technik gewählt wird, kann die in der
Schaltungsanordnung bei Betrieb entstehende Verlustwärme
abgeführt werden. Der Aufbau der eigentlichen
Schaltungsanordnung ist prinzipiell nicht von den bereits früher
beschriebenen unterschiedlich, nennenswert ist hier die
Anordnung von zwei face to face gegenüberliegender Schaltungen.
In dem Zustand der mit Siliconkautschuk (10) vergossenen
Schaltungen werden diese mit einer Leiterplatte (12)
kontaktiert, dabei sind die "Hilfsanschlüsse" über
Steckverbinder (15), wie das bereits beschrieben wurde,
elektrisch leitend kontaktiert und die Last- und Kraftanschlüsse
(5) werden druckkontaktiert, wobei die entsprechenden elektrisch
leitenden und voneinander isolierten Zwischenkreise nicht
dargestellt wurden. Die Justage der die untere Schaltungsebene
abdeckenden oberen Schaltungsebene geschieht zwangsläufig bei
der Montage durch die hervortretenden Steckverbinder (15) für
alle notwendigen Hilfsanschlüsse. Auch hier besitzt jede
einzelne Keramik die Siliconkleberumrandung (6), wie sie bereits
beschrieben wurde.
Schaltungsaufbauten nach der Erfindung haben entscheidende
Vorteile gegenüber solchen nach dem Stand der Technik
aufgebauten Schaltungen. Hier sollen nur die wesentlichen
genannt werden.
Es ist möglich, rationell über die sogenannte "Eurokarte",
Verbund mehrerer DCB- Keramiken (1, 2, 7), gleichzeitig mehrere
Schaltungselemente in einem Prozeß in an sich bekannter Weise zu
löten, es schließt sich das Bonden (4) und Aufbringen sowie
Aushärten des Siliconklebers (6) an.
Zum Vergießen mit Siliconkautschuk (10) wird die Unterseite der
Kupferfläche (7) mit einer wieder entfernbaren Schutzfolie
abgeklebt. Das Trennen in einzelne Schaltungseinheiten wird nach
dem Vergießen mit Siliconkautschuk (10) vorgenommen.
Die Bauhöhe der Einzelschalter kann bis auf ca. 5 mm minimiert
werden, da kein weiterer Schutz oberhalb der Siliconkautschuk
schicht (10) erforderlich ist. Das hat den Vorteil, daß die
Lastanschlüsse, wie sie als Anschlußelemente (5) skizziert sind,
keine thermischen Ausgleichsbögen in sich bergen müssen. Die
thermische Ausdehnung der DCB- Keramik wird über die obere
Verbindungstechnik der Sekundär- Verbindungselemente abgefangen.
Bei Einsatz einer flexiblen Leiterplatte als Verbindungselement
(12) ist keine Gefahr der thermischen Verspannung gegeben. Auch
bei Einsatz einer starren Leiterplatte (12) wird bei Verwendung
eines Glas-Epoxid-Harzes als Isolationsschicht oder als Laminat
bei Mehrschichtaufbau eine analoge Ausdehnung parallel zu der
Keramik zu erwarten sein. Geringe Ausdehnungsdifferenzen werden
von den Verschraubungen (8, 14) mit Federelementen aufgenommen.
Durch Einsatz des Siliconkautschuks in der erfinderischen Weise
ist die gesamte aktive Schaltungseinheit mechanisch gut gegen
äußere Einflüsse geschützt und die Isolationswerte des
Siliconkautschuks (10) gewährleisten einen störungsfreien
elektrischen Betrieb der Schaltungsanordnung.
Die Vergußhöhe des Siliconkautschuks ist optimierbar. In den
Fällen einer weiteren stoffschlüssigen Verbindung mit den
äußeren Anschlußelementen kann sie geringfügig unterhalb der
Oberflächen der Anschlußelemente (5) enden. Bei einem weiteren
Druckkontaktaufbau der äußeren Anschlußelemente ist es möglich,
eine geringfügig höhere Vergußoberfläche in Relation zu den
Oberflächen der Anschlußelemente (5) zu wählen, da durch die
Druckbeauflagung dann gleichzeitig die Kontaktflächen der
Anschlußelemente (5) geschützt werden.
Bei Nutzung von flexiblen äußeren Anschlußverbindungen kann die
Höhe des Kautschuks (10) bis zur Höhe der Verbindungselemente
(4) minimiert werden. Die Gestaltung der Anschlußelemente (5)
mit geringer Höhe und großer Kontaktfläche gestattet die
Einbeziehung der oberen Schaltungsaufbauten parallel zu der
Kühleinrichtung (11) in die Kühlbilanzierung der
Schaltungsanordnung.
Für eine mögliche Druckkontaktierung der DCB-Keramik zur
Wärmeableitung der auftretenden Verlustwärme auf die Kühl
einrichtung (11) sind keine gesonderten Konstruktionselemente
erforderlich, da die Anschlußelemente (5) und die Vergußmasse
(10) diese Funktion bei entsprechender Gestaltung der
Kupferstruktur (2) der Keramik (1) übernehmen.
Durch Weichlöten entsprechender Steckverbinder auf die
Kupferflächen (2) der Isolierkeramik (1) als Kontaktstellen für
Hilfsanschlüsse kann eine einfache Montage der äußeren
Anschlüsse ermöglicht werden und bei simultan verlaufender
Verschraubung der äußeren Anschlüsse auf den Anschlußelementen
(5) ist gleichzeitig eine zerstörungsfreie Demontage einzelner
Schaltungsaufbauten möglich, um gegebenenfalls beispielhaft
defekte Schaltungseinheiten gegen neue funktionstüchtige
austauschen zu können.
Die erfinderische Methode der Realisierung der Schaltungseinheit
kann zu einer Rekonstruktion bekannter konventioneller Module
der Elektronik, wie Brücken, Halbbrücken und Leistungsschaltern,
führen, dadurch wird eine wirtschaftliche Herstellung bei
Reduzierung des Materialeinsatzes und des Energieaufwandes sowie
eine großzügige Rationalisierung bis hin zu automatisierbaren
Fertigungsabläufen ermöglicht. Durch Wegfall des verbreiteten
Einsatzes von Hartverguß werden erfindungsgemäße
Schaltungsaufbauten umweltverträglicher in Herstellung und
Anwendung.
Claims (9)
1. Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter- Schaltungen mit
hoher Packungsdichte, bestehend aus einer Grundplatte (11),
mindestens einer Trägerplatte, die aus einer Isolierkeramik
(1) mit Kupferplattierungen (2, 7) gebildet ist, aus
Halbleiterbauelementen (3), Hilfskontaktanschlüssen (15),
Verbindungselementen (4), Anschlußelementen (5) und
Vergußmasse (10),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaltungsaufbau, bestehend aus Halbleiterbauelementen
(3), Hilfskontaktanschlüssen (15), Verbindungselementen (4)
und Anschlußelementen (5) stoffschlüssig mit der
strukturierten Kupferplattierung (2) der Isolierkeramik (1)
verbunden ist, die Außenkonturen der Isolierkeramik (1)
durch Siliconkleber (6) überdeckt worden sind und eine
Vergußmasse (10) ganzflächig in gleichbleibender
Schichtdicke den Schaltungsaufbau überdeckt, während die
Kontaktstellen für äußere Anschlüsse nicht überdeckt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Vergußmasse (10) annähernd in einer Ebene
zu der nicht durch Vergußmasse überdeckten Oberfläche der
Anschlußelemente (5) liegt und alle Hilfskontaktanschlüsse
(15) aus der Oberfläche der Vergußmasse (10) herausragen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vergußmasse (10) ein additionsvernetzender
Siliconkautschuk ist und nach Mischen und Aushärten einen
Penetrationswert von ca. 50 mm/10 aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anschlußelemente (5) in ihrer Länge minimiert und in
ihrer Form für einen Druckkontakt der Schaltungsanordnung
geeignet sind, wobei der Siliconkautschuk (10) als
Kissenelement zum Druckausgleich dient, oder aus der
Oberfläche der Vergußmasse herausragen und für eine
Verschraubung oder stoffschlüssige äußere Kontaktierung
ausgebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hilfskontaktanschlüsse (15) die Form von Steckverbindern
haben und eine gleiche Aufbauhöhe wie die der Vergußmasse
(9) besitzen oder daß die Hilfskontaktanschlüsse aus der
Oberfläche der Vergußmasse herausragen und einen
Ausgleichsbogen für den Ausgleich thermischer Kräfte
unterhalb der Oberfläche der Vergußmasse besitzen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Vergießen mit Vergußmasse (10) für eine Montagekarte der
DCB-Keramik (1, 2, 7) mit mehreren Schaltungsaufbauten
gleichzeitig geschieht, nachdem dieser Montageverbund an den
späteren Bruchstellen mit Siliconkleber (6) versehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
für die Montage der äußeren Anschlüsse eine strukturierte
Leiterplatte (12) verwendet wird, die direkt auf der Ober
fläche der Vergußmasse aufliegt und entsprechende Aussparun
gen für die Durchführung der Laststromanschlüsse aufweist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Laststromanschlüsse (12), insbesondere für die
Gleichstrom führenden Stromkreise Zwischenkreise in
flächiger Ausführung dienen, die direkt auf der Vergußmasse
aufliegen und die Anschlußelemente (5) druckkontaktiert
worden sind.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
beidseitig in spiegelbildlicher Anordnung zu einer als
Verbindungsträger für elektrische Kontaktierungen dienende
Leiterplatte (12) oder einem flächigen Zwischenkreis (12)
Schaltungsanordnungen mittels Verschraubungen (14) mit
Federelementen druckkontaktiert sind, wobei der ganzflächig
auf beiden Schaltungsanordnungen aufgebauter
Siliconkautschuk (10) als Kissenelement dient.
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