DE4407810C2 - Schaltungsanordnung (Modul) - Google Patents

Schaltungsanordnung (Modul)

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (Modul) nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Elektronische Schalter in Form von Schaltungsanordnungen (Modulen) 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.
Die DE 36 10 288 A1 stellt ein Leistungsmodul vor, das dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entspricht. In der Beschreibung in Spalte 5 wird in den Zeilen 22 bis 33 die beim Aufbau eingesetzte elastomere Vergußmasse erläutert. Zur Stabilisierung erhält dieses Modul einen zweiten duroplastischen Hartverguß.
Die DE 26 41 032 C2 beschreibt ein Stromrichtermodul mit einer völlig anderen Hermetisierung der Halbleiterelemente, die ohne Vergußmassen mittels mechanischer Abdichtung eines Druckkontaktaufbaus dargestellt wird. Diese Aufbaumethode eignet sich besonders für Hochleistungshalbleiterbauelemente mit großflächigen pn-Übergängen, da sehr schnell und zerstörungsfrei eine Demontage durchgeführt werden kann.
In der EP 0 308 676 A2 wird eine spannungsarme Umhüllung für elektrische und elektronische Bauelemente vorgestellt. Es wird eine kompressible Zwischenschicht zum mechanischen Schutz von Schaltungsaufbauten gebildet. Die Kompressibilität wird dabei durch Einbau von Gasblasen in dosierter Menge in den den Aufbau umhüllenden Weichverguß erreicht.
Das Gebrauchsmuster DE 90 07 439 U1 stellt schließlich ein Leistungshalbleitermodul mit integrierter Ansteuerungs- und Fehlerschutzplatine vor. Mit Fig. 1 wird dort eine dem Stand der Technik entsprechende Anordnung einer bestückten Leiterplatte dargestellt, die spiegelbildlich zu den Modulaufbauten positioniert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine raum- und materialsparende Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit nur einer Vergußmasse auskommt und die wirtschaftlich sehr vorteilhaft herstellbar ist und neue Möglichkeiten für eine weitergehende Integration von Einzelelementen zu größeren Packungsdichten ermöglicht.
Durch die spezielle Ausbildung des weichen und die Schaltungsaufbauten elektrisch isolierenden und mechanisch vor Zerstörung schützenden Silikonvergusses ist dabei bei Minimierung der Penetration (nach Wahrig: Deutsches Wörterbuch: penetrare = hineindringen; hier Eindringen eines genormten Kegels in die Masse) eine wirtschaftliche Herstellung erreichbar. Dabei wird in der Gummi herstellenden Industrie der Begriff "Penetration" als Qualitätsmerkmal für die Härte des Produktes definiert (Sh. dazu beispielhaft: Katalog "Silgel" Nr. 4539 der Fa. Wacker Chemie GmbH von 9/91).
Die genannte 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, bei der die Erfindung anwendbar ist.
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 MOSFETs 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 verlaufender 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 Silikonkleber (6) in Form einer Raupe zu bedecken. Dadurch wird ein bündiges Gefüge zwischen Keramikmaterial und Silikonkautschuk erreicht.
Fig. 2 dient der Erläuterung der Erfindung. 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 Silikonkautschuk (10) ausgefüllt. Dabei sind die im Querschnitt sichtbaren Verbindungselemente (4) vollständig in der Masse (10) eingebettet. In gleicher Ebene zu der Oberfläche des Silikonkautschuks (10) ist lediglich die Oberfläche der Anschlußelemente (5) von Silikonkautschuk (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 Silikonkautschuks (10) heraus. Die durch diese Konstruktionsmerkmale definierte Masse an Silikonkautschuk (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 Silikonkautschuks (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 Silikonkautschuk (10) vergossen. Mit einer Leiterplatte (12) werden alle aus der Oberfläche des Silikonkautschuks 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 des an sich bekannten Brückenelementes (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 Silikonkautschuk (10) dient als wesentliches Merkmal der Erfindung 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. 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", d. h. sich gegenüberliegender Schaltungen.
In dem Zustand der mit Silikonkautschuk (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 Silikonkleberumrandung (6), wie sie bereits beschrieben wurde und für die Erfindung wesentlich ist.
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 Silikonklebers (6) an.
Zum Vergießen mit Silikonkautschuk (10) wird die Unterseite der Kupferfläche (7) mit einer wieder entfernbaren Schutzfolie abgeklebt. Das Trennen in einzelne Schaltungseinheiten wird nach dem Vergießen mit Silikonkautschuk (10) vorgenommen.
Die Bauhöhe der Einzelschalter kann bis auf ca. 5 mm minimiert werden, da kein weiterer Schutz oberhalb der Silikonkautschuk­ 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 Silikonkautschuks in der erfinderischen Weise ist die gesamte aktive Schaltungseinheit mechanisch gut gegen äußere Einflüsse geschützt und die Isolationswerte des Silikonkautschuks (10) gewährleisten einen störungsfreien elektrischen Betrieb der Schaltungsanordnung.
Die Vergußhöhe des Silikonkautschuks 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 Druckbeaufschlagung 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 (8)

1. Schaltungsanordnung (Modul) für Leistungshalbleiterschaltungen 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), Hilfskontakt­ anschlüssen (15), Verbindungselementen (4), Anschlußelementen (5) und Vergußmasse (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse (10) ausschließlich ein additionsvernetzender Silikonkautschuk ist, der ganzflächig in gleichbleibender Schichtdicke den Schaltungsaufbau auf der Isolierkeramik überdeckt und die Außenkonturen der Isolierkeramik (1) mittels Silikonkleber (6) mit dem Silikonkautschuk verklebt worden sind, wobei der Silikonkautschuk gleichzeitig als Kissenelement zum Druckausgleich bei druckkontaktierter Ausführung der Schaltungsanordnung dient.
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 der additionsvernetzende Silikonkautschuk 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 Silikonkautschuk (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 (10) 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 für die Montage der äußeren Anschlüsse eine strukturierte Leiterplatte (12) verwendet wird, die direkt auf der Oberfläche der Vergußmasse aufliegt und entsprechende Aussparungen für die Durchführung der Laststromanschlüsse aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Laststromanschlüsse, insbesondere für die Gleichstrom führenden Stromkreise, Zwischenkreise in flächiger Ausführung dienen, die direkt auf der Vergußmasse aufliegen und die Anschlußelemente (5) druckkontaktiert worden sind.
8. 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 Schaltungsanordnungen mittels Verschraubungen (14) mit Federelementen druckkontaktiert sind, wobei der ganzflächig auf beiden Schaltungsanordnungen aufgebaute Silikonkautschuk als Kissenelement dient.
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