DE4430047C2

DE4430047C2 - Leistungs-Halbleitermodul mit verbessertem Wärmehaushalt

Info

Publication number: DE4430047C2
Application number: DE19944430047
Authority: DE
Inventors: Courtney Furnival
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: GB2282007A; FR2710190B1; IT1280673B1; JPH07240497A; FR2710190A1; GB2282007B; DE4430047A1; ITMI941840A0; GB9417776D0; ITMI941840A1; US5408128A; JP2801534B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungs-Halbleitermodul der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Derartige Halbleitermoduln sind gut bekannt und sie werden all gemein zur Aufnahme einer Vielzahl von miteinander verbundenen Halbleiterchips verwendet. Die Chips können von gleicher oder verschiedener Art sein und sie sind auf einem Wärmeableiter oder Kühlkörper in einem gemeinsamen Gehäuse befestigt, von dem aus sich Anschlüsse erstrecken. Beispielsweise können Halbleiter moduln ein Gehäuse für elektrisch miteinander verbundene Dioden, MOSFET's, IGBT's oder bipolare Transistoren bilden, die in unterschiedlicher Weise in Form von vorher ausgewählten Schal tungen miteinander verbunden sind, wie zum Beispiel in Form von Halbbrücken, Vollwellenbrücken, Spannungsverdopplern oder dergleichen. Relativ massive Anschlüsse erstrecken sich aus dem isolierenden Gehäuse heraus, um eine elektrische Verbindung mit äußeren Schaltungen zu ermöglichen.

Ein Leistungs-Halbleitermodul der eingangs genannten Art ist aus der DE 40 36 426 A1 bekannt. Bei diesem Leistungs-Halblei termodul ist die offene Unterseite eines Isoliergehäuses durch ein thermisch leitendes Substrat verschlossen, das auf seiner in dem Gehäuse liegenden Oberfläche eine Isolierschicht und eine darüber angeordnete Leiterschicht trägt, auf der einzelne Leistungs-Halbleiterplättchen befestigt sind, wobei oberhalb der Ebene dieser Halbleiterplättchen eine zweite, durch eine gedruckte Leiterplatte gebildete zweite Ebene angeordnet ist, die weitere, zu Steuerungszwecken dienende Halbleiterbauteile oder -plättchen trägt. Das Isoliergehäuse trägt auf seiner Außenseite Anschlußmuttern, die über sich in das Isoliergehäuse hineinerstreckende Leitungsverbindungen mit den Leistungs-Halb leiterplättchen verbunden sind, und weiterhin erstrecken sich Steueranschlußstifte von der gedruckten Schaltungsplatte durch Öffnungen in dem Isoliergehäuse hindurch zu dessen Außenseite hin. Hierbei ergibt sich ein komplizierter Aufbau, der in der Herstellung schwierig und aufwendig ist, da einerseits Leitungs verbindungen zu den außerhalb des Isoliergehäuses zugänglichen Anschlüssen erforderlich sind und andererseits auch Leitungsver bindungen zwischen den Leistungs-Halbleiterplättchen und der ge druckten Schaltungsplatte bzw. den darauf befindlichen Bauteilen erforderlich sind. Weiterhin ergibt sich eine Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit dadurch, daß die Durchführung der Leitungs verbindungen zu den außenliegenden Anschlüssen bzw. die Durchführung der Anschlußstifte den Eintritt von Luft und Feuchtigkeit in das Innere des Isoliergehäuses ermöglichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs-Halb leitermodul der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einer einfachen Herstellbarkeit und verbesserten Zuverlässigkeit einen niedrigen thermischen Widerstand und einen verbesserten Wärmehaushalt aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungs-Halbleitermodul sind charakteristischerweise die Anschlüsse in einer Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte, im folgenden als Anschlußträgerplatte bezeichnet, durch Ein rasten in Schlitze in dieser Anschlußträgerplatte befestigt, um den Zusammenbau des Halbleitermoduls zu vereinfachen. Jeder Anschluß weist einen zurückgebogenen Endbereich auf, der als flacher Anschlußansatz wirkt, der bequem mit an geeigneter Stelle angeordneten Verbindungsbereichen oder Lötkissen auf dem Substrat verlötet werden kann.

Dieses Substrat ist vorzugsweise ein IMS-Substrat, das heißt ein isoliertes Metallsubstrat, an dem die Halbleiterbauelemente in Form von Halbleiterplättchen thermisch leitend befestigt sind. Die Ausdrücke "Chip", "Halbleiterplättchen" und "Halblei terscheibe" werden im folgenden ohne Unterschied verwendet, um einen nicht in einem Gehäuse angeordneten dünnen flachen Halbleiterkörper zu bezeichnen, auf dessen gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden angeordnet sind. Das Halbleiterbauteil kann von irgendeiner gewünschten Art sein, beispielsweise eine Diode, ein Gate-gesteuertes Leistungs-MOS-Transistorbauteil, wie zum Beispiel ein MOSFET, ein IGBT, ein MOS-gesteuerter Thyristor oder dergleichen.

Das IMS-Substrat weist einen relativ dicken Aluminiumkörper auf, der durch eine sehr dünne Isolierschicht bedeckt ist, die ihrerseits ein Kupfermuster in Form von leitenden Verbindungs bereichen trägt, die von dem Aluminium elektrisch isoliert sind. Die Halbleiterplättchen sind vorzugsweise auf einer oder mehreren Wärmeverteilungseinrichtungen an Mittelbereichen der Wärmeverteilungseinrichtung angeordnet, um den Wärmehaushalt und die Verteilung der Wärme zu verbessern, die von dem Halbleiter plättchen während des Betriebs des Bauteils erzeugt wird.

Das IMS-Substrat weist weiterhin Leitermuster zur bequemen Aufnahme von Verbindungsdrähten und den ersten Endbereichen der Anschlüsse auf. Entsprechend sind die Halbleiterplättchen intern miteinander auf dem IMS-Substrat durch Stichkontaktie rung von parallelen Leitungsdrähten miteinander verbunden. Diese Drähte sind schließlich mit einem Anschluß verbunden, der sich aus dem Isoliergehäuse heraus erstreckt.

Die von der Anschlußträgerplatte gehalterten Anschlüsse sind hinsichtlich ihrer Position bezüglich des IMS-Substrates vorher festgelegt und enden in einer gemeinsamen Ebene, so daß sie während des Zusammenbaus in einem einzigen Arbeitsgang mit den Verbindungsbereichen verlötet werden können.

Bei der Anwendung der Erfindung kann eine Positionieranordnung durch die Anschlußträgerplatte dadurch gebildet werden, daß Abbrechstifte an den gegenüberliegenden Enden der Anschlußträgerplatte vorgesehen werden, die während des Zusammenbaus in den Befestigungsöffnungen des IMS-Substrates angeordnet werden. Diese Stifte werden weggebrochen, nachdem die Anschlüsse mit dem IMS-Substrat verlötet wurden.

Weiterhin verbleibt ein Zwischenraum zwischen dem Boden der Anschlußträgerplatte und der Oberseite des IMS-Substrates, wobei dieser Zwischenraum als Ausdehnungsraum für ein weiches Silikon-Füllmaterial wirkt, das in diesen Zwischenraum durch eine Öffnung in der Anschluß trägerplatte hindurch eingefüllt werden kann, nachdem der Löt vorgang beendet wurde und bevor die Isoliergehäusekappe auf das Modul aufgesetzt wird. Nach dem Füllen wird der Zwischen raum dadurch abgedichtet, daß die einzige zentrale Füllöffnung in der Anschlußträgerplatte verschlossen wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die obere Oberfläche der Anschlußträgerplatte mit Vor sprüngen versehen, durch die sich die Anschlüsse erstrecken. Die Innenseite der Isoliergehäusekappe ist mit einstückigen Rippen versehen, die auf die Vorsprünge auf der Anschlußträger platte aufgesetzt werden und diese umgeben, wenn diese beiden Teile zusammengebaut werden. Vor dem Zusammenbau mit der Iso liergehäusekappe wird die gesamte obere Oberfläche der Anschluß trägerplatte mit einem geeigneten Klebemittel oder Kleber ge füllt, so daß, wenn die Abdeckkappe an ihren Platz gebracht wird, alle die Anschlüsse umgebenden Räume durch das Klebe mittel abgedichtet werden, um das Eindringen von Luft oder Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses und in und zwischen die verschiedenen Anschlußleitungen zu verhindern, was zu Kurz schlüssen der Hauptanschlüsse führen könnte.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungs form des Leistungs-Halbleitermoduls,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Gehäuse des Leistungs- Halbleitermoduls gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Gehäuses des Leistungs- Halbleitermoduls gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Endansicht des Gehäuses des Leistungs- Halbleitermoduls gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Schaltbild der internen Schaltung, die in dem Gehäuse gemäß den Fig. 1 bis 4 ausgebildet ist,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Fig. 2 entlang der Schnittlinien 6-6 gemäß Fig. 2,

Fig. 7 eine Innenansicht bei Betrachtung der Innenseite der Isoliergehäusekappe des Leistungs-Halbleitermoduls gemäß den Fig. 1 bis 4 und 6,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht der Fig. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht der Fig. 7 entlang der Schnittlinie 9-9 gemäß Fig. 7,

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Anschlußträgerplatte des Gehäuses gemäß den Fig. 1 bis 4 und 6 bis 9,

Fig. 11 eine Querschnittsansicht der Fig. 10 entlang der Schnittlinie 11-11 gemäß Fig. 10,

Fig. 12 eine Unteransicht der Fig. 11 bei Betrachtung von der Schnittlinie 12-12 aus,

Fig. 13 eine Ansicht eines Gateelektroden-Kontaktes für einen der Steueranschlüsse für das Gehäuse gemäß den vorhergehenden Figuren,

Fig. 14 eine Seitenansicht des Anschlusses gemäß Fig. 13, nachdem ein unteres Ende in die Lötposition gebogen wurde,

Fig. 15 eine Ansicht eines der Hauptanschlüsse der Baugruppe gemäß Fig. 1,

Fig. 16 eine Seitenansicht des Anschlusses gemäß Fig. 15, die gestrichelt zeigt, wie der Anschluß in seine Position zum Löten gebogen wird,

Fig. 17 eine Ansicht eines zweiten Hauptanschlusses des Leistungs-Halbleitermoduls gemäß Fig. 1,

Fig. 18 eine Seitenansicht des Anschlusses gemäß Fig. 17,

Fig. 19 eine Ansicht eines dritten Hauptanschlusses des Leistungs-Halbleitermoduls,

Fig. 20 eine Seitenansicht des Anschlusses gemäß Fig. 19,

Fig. 21 eine auseinandergezogene perspektivische An sicht der Anschlußträgerplatte gemäß Fig. 10, wobei die verschiedenen Anschlüsse gemäß den Fig. 13 bis 20 für ein Einsetzen in die Anschlußträgerplatte positioniert sind,

Fig. 22 die Anschlußplatte gemäß Fig. 21, nachdem die Anschlüsse an ihrem Platz eingerastet und durch die Anschlußträgerplatte festgehalten werden,

Fig. 23 eine Draufsicht auf das IMS-Substrat, bevor daran die Wärmeverteilungseinrichtungen und die Leitungen befestigt werden,

Fig. 24 eine Seitenansicht gemäß Fig. 23,

Fig. 25 eine Draufsicht auf eine Wärmeverteilungsein richtung, mit der ausgewählte Chips von IGBT- Bauteilen und Dioden mit kurzer Erholzeit ver lötet sind,

Fig. 26 eine Seitenansicht der Wärmeverteilungsein richtung gemäß Fig. 25,

Fig. 27 eine Draufsicht auf das IMS-Substrat gemäß Fig. 23, nachdem die Wärmeverteilungseinrich tungen an ihrem Platz auf dem IMS-Substrat ver lötet wurden und Leitungsverbindungen zwischen den verschiedenen Halbleiterplättchen und Anschlüssen hergestellt wurden,

Fig. 28 eine Unteransicht der Anschlußträgerplatte gemäß Fig. 22, die die Lage der Haupt-Anschlußlötkis sen oder Bodenflächen derart zeigt, daß sie sich an den Anschlußpositionen in Fig. 27 befinden, wobei diese Figur weiterhin gestrichelt die weg brechbaren Positioniervorsprünge zeigt, die die Positionierung der Anschlußträgerplatte und der An schlüsse gegenüber dem IMS-Substrat während des Lötvorganges unterstützen,

Fig. 29 eines der wegbrechbaren Elemente gemäß Fig. 28 bei einer Anordnung bezüglich einer Befesti gungsöffnung in dem IMS-Substrat,

Fig. 30 eine Querschnittsansicht, die schematisch die Abdeckkappe, die Anschlußträgerplatte und das IMS- Substrat in ihrer relativen Positionierung im Moment vor dem vollständigen Zusammenbau dieser Bauteile zeigt,

Fig. 31 eine Querschnittsansicht der Fig. 30 entlang der Schnittlinie 31-31.

Es sei zunächst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. In diesen Figuren ist eine Ausführungsform eines Leistungs-Halbleitermoduls gezeigt, das eine Isoliergehäusekappe 50 in Form eines Isolierformstückes aufweist, das an einem IMS-Substrat 51 befestigt ist, wobei diese Teile weiter unten ausführlich erläutert werden.

Die Isoliergehäusekappe 50 weist drei Vorsprünge 52, 53 und 54 auf, die sich von ihrer oberen Oberfläche erstrecken und die nach unten um gebogene Segmente von drei Bauteil-Hauptanschlüssen 55, 56 und 57 enthalten. Weiterhin sind in Fig. 1 zwei Steueranschlüsse 60 und 61 und zwei Hilfs-Leistungsanschlüsse 62 und 63 gezeigt.

Wie dies in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, erstrecken sich nach dem Zusammenbau der Teilbaugruppe und vor ihrer Inbetrieb nahme die Anschlüsse 55, 56 und 57 nach oben und geben Sechs kantmuttern aufnehmende Öffnungen 70, 71 und 72 (Fig. 2) frei, die abgedeckt sind, wenn die Enden der Anschlüsse 55, 56 und 57 nach unten gedrückt werden. Diese Öffnungen können eine Sechs kantmutter aufnehmen, wie sie üblicherweise für die Verbindung von elektrischen Anschlüssen an dem Gehäuse verwendet wird.

Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, ist das IMS-Substrat 51 außer dem mit Befestigungsöffnungen 73 und 74 versehen, die das Festschrauben des IMS-Substrates und des Moduls an einem Kühlkörper ermöglichen. Die von dem zu beschreibenden Bauteil gebildete Schaltung ist eine Halbbrücke, die aus IGBT's 75 und 76 (bipolare Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode) gebil det ist, wie dies schematisch in Fig. 5 gezeigt ist. Die IGBT's 75 und 76 sind parallel zu jeweiligen Dioden mit kurzer Erhol zeit 77 und 78 geschaltet. Die elektrischen Anschlüsse der Halbbrückenschaltung gemäß Fig. 5 entsprechen denen, die vorher in Fig. 1 bezeichnet wurden.

Es sei bemerkt, daß vielfältige Artenn von anderen Schaltungen als denen, die in Fig. 5 gezeigt sind, in Verbindung mit dem Leistungs-Halbleitermodul der beschriebenen Art verwendet werden können, bei spielsweise Ein- und Dreiphasen-Vollwellenbrücken, Spannungs verdoppler und dergleichen. Verschiedene Arten von Halbleiter plättchen, wie zum Beispiel Dioden, Thyristoren, bipolare und MOS-Transistoren, können einzeln oder parallel angeordnet werden. Wie dies weiter unten beschrieben wurde, bestehen die IGBT's 75 und 76 aus vier parallel geschalteten Chips oder Halbleiterplättchen.

Die Isoliergehäusekappe 50 ist ausführlich in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt. So enthält das Innere der Isoliergehäuse kappe Öffnungen 80, 81 und 82a, durch die hindurch sich die Anschlüsse 55, 56 und 57 in dem zusammengebauten Bauteil er strecken können. Es ist gezeigt, daß die Öffnungen 80, 81 und 82a von Wülsten umgeben sind, die sich von der Innenseite des Gehäuses aus nach unten erstrecken. Andere vorspringende Wülste, die in den Fig. 7, 8 und 9 verschiedentlich als Wülste 82, 83, 85 und 86 gezeigt sind, wirken mit einem inneren langgestreckten Hauptwulst 87 zusammen, der sich um das gesamte Innere der Kappe 50 erstreckt. Wenn die Kappe 50 über die innere Anschlußträgerplatte aufgesetzt wird, die weiter unten beschrieben wird, so um schließen ringförmige Isolierräume jeden der Anschlüsse, und sie können mit einem Silikongel oder dergleichen gefüllt werden, um die Anschlüsse voneinander in einer sicheren und einfachen Weise zu isolieren.

Als nächstes wird die Ausführungsform der Anschlußträgerplatte 90 beschrieben, die so ausgebildet ist, daß sie die Hauptanschlüsse 55, 56 und 57 und die Steueranschlüsse 60 bis 63 in Einrastweise trägt. Die Anschlußträgerplatte 90 ist in den Fig. 6, 10, 11, 12, 21, 22 und 28 gezeigt. Die Anschlußträgerplatte 90 ist ein Kunststoff-Formkörper mit einer Vielzahl von einen Abstand aufweisenden Vorsprüngen 91 bis 94 auf seiner oberen Oberfläche. Diese Vorsprünge werden, wie dies später gezeigt wird, in vor springende Rippen auf der Innenseite der oberen Kappe 50 einge setzt und werden von diesen umgeben. Das Volumen zwischen den Vorsprüngen und das diese umgebende Volumen kann mit einem Sili konklebemittel gefüllt werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, bevor die Kappe 50 auf die Anschlußträgerplatte 50 aufgesetzt wird. Die Rippen der Kappe 50 springen in das Klebemittel vor, und wenn das Klebemittel erhärtet, sind die Anschlüsse gut gegen Leckpfade zwischen den Anschlüssen abgedichtet.

Die Anschlußträgerplatte 90 ist weiterhin mit langgestreckten Schlitzenn 95, 96 und 97 versehen, durch die hindurch sich die Anschlüsse 55, 56 und 57 erstrecken können und in denen sie festgehalten werden, wie dies weiter unten beschrieben wird und wie dies in den Fig. 21 und 22 gezeigt ist. In der Unterseite der Anschlußträgerplatte befinden sich langgestreckte einstückige Kunststoffschürzen 100-101, die sich entlang der Bodenlänge der Anschlußträgerplatte auf gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 97 erstrecken. Ähnliche langgestreckte Schürzenteile 102 und 103 erstrecken sich auf gegenüberlie genden Seiten der Schlitze 95 und 96. Der Raum zwischen den Schürzen 100-101 und 102-103 nimmt Ansätze der Anschlüsse 55, 56 und 57 auf, um eine gute Einrastverbindung und eine sichere Befestigung des Anschlusses an der Anschlußträgerplatte zu ermöglichen, wie dies weiter unten beschrieben wird, und weiterhin werden hierdurch die Anschlüsse in dem Ausdehnungs hohlraum isoliert.

In der Anschlußträgerplatte 90 ist weiterhin eine Durchgangsöffnung 110 vorgesehen. Wie dies weiter unten beschrieben wird, er möglicht diese Öffnung 110 das Füllen des Raumes zwischen dem IMS-Bauteil 51 und der Unterseite der Anschlußträgerplatte mit einem weichen Silikon, das einen großen Ausdehnungskoeffizienten auf weist, vor dem Zusammenbau mit der Kappe. Ein Kunststoff stopfen oder Verschluß mit Kugelform 11 (Fig. 22) kann nach dem Füllvorgang in die Öffnung 110 gedrückt und an seinem Platz verklebt werden, um den Ausdehnungshohlraum abzudichten.

Die Anschlußträgerplatte 90 weist vier parallele, mit Abstand ange ordnete Öffnungen 120, 123 (Fig. 10) auf, die die Anschlüsse 60, 62, 63 bzw. 61 für das Bauteil aufnehmen. Diese Anschlüsse werden mit Preßsitz in die Anschlußträgerplatte eingesetzt und von dieser als Teilbaugruppe zusammen mit den Hauptanschlüssen 55, 56 und 57 getragen.

Obwohl die verschiedenen Anschlüsse irgendeine geeignete gewünschte Form aufweisen können, zeigen die Fig. 13 bis 20 die bei der bevor zugten Ausführungsform verwendete Form. So haben alle Anschlüsse 60-63 die Konstruktion des Anschlusses 60, wie sie in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Die Anschlüsse 60-63 werden einfach in die Öffnungen 120 bis 123 eingepreßt und werden in diesen auf Grund des Preßsitzes mit Hilfe von gebogenen oder sich verjüngenden Oberflächen gehalten, die kraftvoll in die gegenüberliegenden Seiten der Schlitze eingepreßt werden, um die Anschlüsse an ihrem Platz zu halten. Es sei bemerkt, daß die Unterseite des Anschlusses 60 an seinem unteren Ende 130 in Fig. 14 nach oben gerollt ist, um eine Abflachung zu bilden, die mit einem entsprechenden Bereich auf dem IMS-Substrat 51 verlötet werden kann, wie dies weiter unten beschrieben wird.

Der Anschluß 55 weist die in den Fig. 15 und 16 gezeigte Form auf, und es sei bemerkt, daß der Anschluß mit den sich ver jüngenden Oberflächen 131 und 132 versehen ist, die so bemessen sind, daß sie kraftvoll in die gegenüberliegenden Enden des Schlitzes 95 eingreifen, der den Anschluß 55 aufnimmt, um ihn durch Reibung an seinem Platz in der Anschlußträgerplatte zu halten, nachdem er in diesen Schlitz 165 eingesetzt wurde.

Wie dies in Fig. 18 strichpunktiert gezeigt ist, kann der vor springende Endabschnitt 133 des Anschlusses nach oben aufge rollt werden, wie dies strichpunktiert in Fig. 16 gezeigt ist, um einen flachen Anschluß-Endteil 134 zu bilden, der mit einem geeigneten Verbindungsbereich in Form eines Anschlußkissens auf dem IMS-Substrat 51 verlötet werden kann, wie dies weiter unten beschrieben wird. Es sei bemerkt, daß der Hauptteil 135 des Anschlusses zwischen die Schürzen 102 und 103 in Fig. 12 paßt, wenn der Anschluß 55 in die Anschlußträgerplatte eingesetzt wird.

Die Fig. 17 und 18 zeigen den Anschluß 56, der einen langge streckten Körper 140 und einen nach unten vorspringenden End abschnitt 141 aufweist, der zu der in Fig. 18 gezeigten Form 142 aufgerollt werden kann, und der eine untere Abflachung aufweist, die auf das IMS-Substrat aufgelötet werden kann.

Die Fig. 19 und 20 zeigen den Anschluß 57, der einen Hauptteil 142a und einen Endabschnitt 143 aufweist, der auf die mit ge strichelten Linien gezeigte Form 144 nach Fig. 20 aufgerollt werden kann. Wenn der Anschluß 57 in die Anschlußträgerplatte ein gesetzt wird, wird er in den Schlitz 97 eingepreßt und in diesem durch Reibung gehalten, wobei das Anschlußende 144 nach außen und nach unten vorspringt.

Alle Anschlüsse werden in die Anschlußträgerplatte 90 eingeschoben, wie dies in den Fig. 21 und 22 gezeigt ist, und sie werden in der Anschlußträgerplatte 90 durch Reibung oder Rastwirkung befestigt. Die unteren Enden 130 der jeweiligen Steueranschlüsse und die unteren Enden 134, 142 und 144 der Anschlüsse 55, 56 und 57 liegen nach dem Einbau der Anschlüsse in der Anschlußträgerplatte 90 in einer gemeinsamen Ebene. Diese unteren Oberflächen wer den mit entsprechenden Anschluß- oder Lötkissen verlötet, die in geeigneter Weise auf dem IMS-Substrat 51 angeordnet sind, wie dies im folgenden beschrieben wird.

Das Substrat 51 ohne daran befestigte Halbleiterplättchen ist in den Fig. 23 und 24 gezeigt. Das Substrat 51 ist im wesent lichen eine dicke Platte aus Aluminium, auf deren Oberseite eine dünne Isolierschicht angeordnet ist. Ein Kupfermuster ist auf der Oberseite der Isolierschicht ausgebildet. IMS- Substrate sind gut bekannt. Weil die Isolierschicht extrem dünn ist, ermöglicht sie eine gute Wärmeübertragung von dem Kupferbahnen auf den Hauptteil des Aluminiumsubstrates, während gleichzeitig eine gute elektrische Isolierung zwischen diesen Teilen erzielt wird.

Fig. 23 zeigt Kupferbereiche 150-156 auf der Oberseite des IMS-Substrates, die von dem Aluminiumsubstrat und voneinander isoliert sind. An den Stellen, an denen diese Kupferbereiche schraffiert gezeigt sind, soll die Schraffierung kaschiertes Aluminium anzeigen, das die Ausbildung einer Ultraschallver bindung mit einem Leitungsdraht ermöglicht. Die Kupferbereiche, die nicht kaschiert sind, bilden Verbindungsbereiche und sind für die Verlötung mit anderen Bauteilen geeignet.

Die vergrößerten Bereiche 154 und 155 weisen jeweils Ansätze 160 und 161 auf, die zur Aufnahme von Wärmeverteilungseinrich tungen wie zum Beispiel der Wärmeverteilungseinrichtung 170 gemäß den Fig. 25 und 26 ausgebildet sind, die aus einer Aluminiumplatte bestehen kann, an der die verschiedenen Halbleiterplättchen angelötet sind, die zur Erzeugung der Halbleiterschaltung für das Modul verwendet werden. Im Fall der Wärmeverteilungseinrichtung 170 gemäß den Fig. 25 und 26 sind an dieser vier parallel geschaltete IGBT-Halbleiter plättchen 172-174 und Dioden 175-178 mit kurzer Erholzeit angelötet, die alle parallel geschaltet sind. Diese Bauteile entsprechen allgemein dem IGBT 75 und der Diode 77 mit kurzer Erholzeit nach Fig. 5.

Zwei derartige Baugruppen auf jeweiligen Wärmeverteilungsein richtungen werden verwendet, wie dies in Fig. 27 gezeigt ist, wobei die Wärmeverteilungseinrichtung 170 die in den Fig. 25 und 26 gezeigte ist, während eine identische Baugruppe 180, die dem IGBT 76 und der Diode 78 nach Fig. 5 entspricht, mit dem Kupferbereich 155 in Fig. 27 verlötet ist.

Die Rückseite jedes Halbleiterplättchens ist auf die jeweilige Wärmeverteilungseinrichtung 170 und 180 aufgelötet, während die Anschlüsse auf den oberen Oberflächen des Halbleiterplätt chens mit Hilfe von Ultraschalll unter Verwendung geeigneter Draht- und Stichkontaktierungen verbunden sind, wie dies gut bekannt ist. In Fig. 27 ist lediglich ein einziger Stichkontak tierungsdraht gezeigt, obwohl in der Praxis vier parallele Stichkontaktierungen für jede Verbindung verwendet werden.

In Fig. 27 ist der Steueranschluß 150 über eine Leiterbahn auf dem IMS-Substrat mit den Gate-Kontakten jedes der IGBT- Halbleiterplättchen auf der Wärmeverteilungseinrichtung 170 verbunden. Die Emitterkontakte jedes Halbleiterplättchens auf der Wärmeverteilungseinrichtung 170 sind dann zunächst mit einer Elektrode einer jeweiligen Diode mit kurzer Erholzeit und dann mit dem Ansatz 190 der Leiterbahn 155 verbunden. Der Steueranschluß 153 ist zunächst mit den leitenden Kissen 191 und 192 verbunden, die in einer (nicht gezeigten Weise) von der Wärmeverteilungseinrichtung 170 isoliert und dann mit den Steuerelektroden des IGBT-Halbleiterplättchens auf der Wärme verteilungseinrichtung 180 kontaktiert sind.

Die Hauptelektroden auf den oberen Oberflächen der IGBT's auf der Wärmeverteilungseinrichtung 180 sind dann zunächst mit einer jeweiligen Diode mit kurzer Erholzeit und dann mit dem leitenden Kissen 156 auf dem IMS-Substrat kontaktiert. Um die Steuerelektroden 151 und 152 mit den Leistungsanschlüssen 56 und 57 zu verbinden, sind isolierte Drähte, die schematisch durch gestrichelte Linien 200 bzw. 201 dargestellt sind, vor gesehen, um diese Anschlüsse mit dem Leiterkissen-Ansatz 161 und mit dem Leiterkissen 156 zu verbinden.

Unter nachfolgender Bezugnahme auf die Fig. 22, 27 und 28 ist es verständlich, daß die Teilbaugruppe nach Fig. 22, bei der die verschiedenen Anschlüsse mechanisch in der Anschlußträgerplatte gehaltert sind, einfach auf die Oberseite der IMS-Oberfläche gemäß Fig. 27 derart aufgesetzt werden kann, daß die Kontakte 134, 142 und 144 über die freiliegenden Kupferteile der An schlüsse 160, 156 bzw. 161 und in Kontakt mit diesen gebracht werden. Die gesamte Teilbaugruppe unter Einschluß der unteren Enden der Steueranschlüsse 60-63, die mit den Bereichen 150- 153 ausgerichtet sind, kann dann als vollständige Teilbaugruppe in einem einzigen Vorgang verlötet werden.

Um die Lage der Teilbaugruppe gemäß Fig. 22 gegenüber dem IMS- Substrat während dieses Lötvorganges festzulegen, können zwei entfernbare Zapfen bei der Formung der Anschlußträgerplatte 90 mit vorgesehen werden. So sind, wie dies beispielsweise in Fig. 21, in Fig. 28 mit gestrichelten Linien und in den Fig. 30 und 31 gezeigt ist, Zapfen 210 und 211 einstückig in den Kerben in den gegenüberliegenden Enden der Platte 90 befestigt, und sie können leicht von dieser abgebrochen werden. Diese Positionier zapfen 210 und 211 sind mit einen verringerten Durchmesser auf weisenden Endteilen, wie zum Beispiel dem Endteil 212 nach Fig. 29 für den Zapfen 210 versehen, die mit engem Sitz in die Be festigungsöffnung 73 in dem IMS-Substrat 51 passen. In ähnlicher Weise paßt der gegenüberliegende Zapfen 210 in die Öffnung 74 des IMS-Substrates 51, so daß die gesamte Teilbaugruppe in Fig. 22 unter Einschluß der Unterseiten der Anschlüsse genau auf die jeweiligen Verbindungsbereiche auf dem IMS-Sub strat 51 ausgerichtet ist, so daß der Lötvorgang erfolgen kann.

Sobald die eine Teilbaugruppe bildende Anschlußträgerplatte an ihren Pllatz verlötet ist, weist die Unterseite der Platte einen Ab stand von der oberen Oberfläche des IMS-Substrates auf, wie dies am besten in Fig. 5 gezeigt ist, um einen Ausdehnungsraum oberhalb der Halbleiterplättchen und der Drahtverbindungen zu bilden. Es ist selbstverständlich wünschenswert, diesen die Halbleiterplättchen und die Leiterdrähte enthaltenden Bereich mit einer Passivierungsumgebung zu füllen, beispielsweise mit einem weichen Silikon, das sich bei Temperaturänderungen frei ausdehnen und eine thermische Bewegung der Halbleiterplättchen und der Verbindungsdrähte ermöglichen kann, wobei gleichzeitig eine vollständige Abdichtung des Gehäuses gegen den Eintritt von Feuchtigkeit oder Verunreinigungen erzielt wird und eine einwandfreie Isolation zwischen den verschiedenen Anschlüssen aufrechterhalten wird.

Entsprechend wird das Volumen zwischen der Unterseite der Anschlußträgerplatte 90 und der Oberseite des IMS-Substrates 51 über die Füllöffnung 110 in der Anschlußträgerplatte 90 mit einem weichen Silikon bis zu einer Höhe oberhalb der verschiedenen Halbleiterplättchen und Anschlußverbindungen gefüllt. Ein kleiner Ausdehnungsraum kann an der Unterseite der Anschlußträger platte 90 verbleiben, wie dies am besten aus Fig. 6 zu erkennen ist. Fig. 6 zeigt mit einer gestrichelten Linie den Pegel, bis zu dem das weiche Silikon das Innenvolumen zwischen der Ober seite des IMS-Substrates 51 und der Unterseite der Anschlußträgerplatte 90 füllen kann. Nach dem Füllen des Volumens mit weichem Silikon wird das Volumen durch Verstopfen der Öffnung 110 verschlossen, beispielsweise mit einer Kunststoffkugel 111, die an ihrem Platz festgeklebt wird.

Die Kappe 50 wird als nächstes dadurch befestigt, daß die Anschlüsse 55, 56 und 57 durch die Öffnungen 80, 81 und 82 in der Kappe geschoben werden, bis die Biegelinien dieser Anschlüsse glatt mit den Oberseiten der Vorsprünge 52, 53 und 54 nach Fig. 1 abschließen, so daß die Anschlüsse leicht umge bogen werden können, nachdem der Zusammenbau beendet ist.

Um eine gute Isolation zwischen den Anschlüssen in dem Bereich zwischen der Unterseite der Kappe und der Oberseite der Anschlußträgerplatte 90 sicherzustellen, wird eine Konstruk tion vorgesehen, bei der die Anschlußträgerplatte mit nach oben vor springenden Vorsprüngen 91, 92, 93 und 94 versehen ist, die in die vorspringenden Rippen, wie zum Beispiel die Rippen 82, 83, 84, 85 und 86 und die hierdurch eingeschlossenen Bereiche in der Unterseite der Kappe eingesetzt oder von diesen umgeben sind. Das Einsetzen dieser Bereiche ineinander trägt zur Isolation der Anschlüsse voneinander bei. Vorzugsweise wird der Bereich an der Oberseite der Anschlußträgerplatte 90, der von dem Wulst 20 umgeben ist (Fig. 10 und 21) nahezu bis zur Hälfte seiner Höhe mit einem geeigneten Klebemittel gefüllt. Dieses Klebe mittel umgibt die Anschlüsse 55, 56 und 57 in Fig. 2. Wenn die Kappe 50 dann zusammengebaut wird, so springen die ver schiedenen Rippen in die zwischen den Vorsprüngen 91-94 ge bildeten Zwischenräume und um diese Vorsprünge herum in das Klebemittel vor, wodurch eine wirkungsvolle Abdichtung der Anschlüsse erzielt wird und das gesamte Gehäuse gegen den Eintritt von Feuchtigkeit geschützt wird. Zur gleichen Zeit kann das Klebemittel weiterhin zur Erzielung einer Abdichtung um den Rand des IMS-Substrates 51 herum und zwischen diesem Rand und der Nut an der Unterseite der Kappe 50 verwendet werden, die in Fig. 6 gezeigt ist. Damit ergibt sich ein voll ständig abgedichtetes Gehäuse, dessen Anschlüsse sehr gut ineinander isoliert sind, wobei die Halbleiterbauteile in dem Gehäuse in sicherer Weise durch ein Silikon passiviert sind, das sich frei ausdehnen und zusammenziehen kann.

In der vorstehenden Beschreibung wurde das bevorzugte Ausführungsbeispiel mit speziellen Abmessungen gezeigt. Es ist verständlich, daß sich die gezeigten Ab messungen ändern können, ohne daß der Grundgedanke der Er findung verlassen wird. Beispielsweise kann die Breite des Bauteils verdoppelt werden, um Raum für eine dritte und vierte Wärmeverteilungseinrichtung mit Halbleiterbauteilen zu schaffen, die parallel zu denen auf den Wärmeverteilungs einrichtungen 170 und 180 geschaltet werden können. Somit könnte das IMS-Substrat 51 doppelt so breit sein, und alle Bauteile würden im übrigen breiter gemacht werden, um sie an diese neue Abmessung anzupassen.

Dabei ermöglicht die beschriebene Ausführungsform die Verwendung einer Wärme verteilungseinrichtung von maximaler Größe, um das maximale thermische Betriebsverhalten für das Gehäuse zu erzielen. Die Ausgestaltung der Anschluß-Abdichtung ergibt eine zuverlässige Abdichtung mit der Möglichkeit einer Ausdehnung des Silikongels, und die ein Formteil darstellende und vormontierte Anschluß platte macht die Gesamtbaugruppe leichter herstellbar. Diese drei Punkte ergeben eine IMS-Gehäuseanordnung mit verbesser ten Betriebseigenschaften, einer verbesserten Zuverlässigkeit und einer vereinfachten Herstellbarkeit.

Die Betriebsleistung wird z. B. dadurch verbessert, daß parallel geschaltete IGBT-Halbleiterplättchen verwendet werden, um Hochstrom- Schalter zu schaffen. Die Gate-Widerstände sind in die Halbleiterplättchen mit integriert, so daß die Gates durch Kontaktierung miteinander verbunden werden können, wodurch der IMS-Substratleiter- und Widerstandsbereich entfallen kann. Dies ermöglicht es, daß die Wärmeverteilungseinrichtungen vergrößert werden können, um die Abfuhr der Verlustleistung über den Epoxy-Isolator des IMS-Substrates maximal zu machen.

Die Zuverlässigkeit wird durch das Silikongel vergrößert, das die Halbleiterplättchen gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umgebungsbedingungen schützt. In Hochleistungsmoduln, bei denen es erforderlich ist, daß große Kupferanschlüsse an der Oberseite der Gehäuseanordnung austreten, mußte man bisher auf die Oberseite des Silikongels ein relativ steifes Epoxy-Material auffüllen. Hierdurch wird das Silikongel fest eingeschlossen, wodurch in vielen Fällen ein Reißen der Gehäuseanordnung und ein entsprechendes Auslecken des Silikon gels und damit Schäden an der Silikonabdichtung hervorgerufen wurden. Die Anschlußhalterung, die eine mechanische Abstützung und Abdichtung an der beschriebenen Anschlußträgerplatten- Kappen-Verbindung ergibt, ergibt einen Ausdehnungsraum oberhalb des Silikongels. Dieser Ausdehnungsraum verhindert, daß sich ausdehnendes Silikon die Gehäuseanordnung bei hohen Temperaturen aufreißt. Die als Formstück ausgebildete Anschluß trägerplatte ergibt einen leicht herzustellenden, eine hohe Präzision aufweisenden Träger für die Anschlüsse, was es ermög licht, daß sie mit dem Substrat-Leiterbahnmuster und mit dem Gehäuse als einzige vormontierte Einheit ausgerichtet werden. Hierdurch werden Ausrichtlehren und komplizierte Anordnungs systeme für das Lötaufschmelzverfahren, für die Anordnung der Bauteile und für das Verschließen des Gehäuses vermieden.

Claims

1. Leistungs-Halbleitermodul mit einem Isoliergehäuse, das eine Isoliergehäusekappe mit einer offenen Unterseite bildet, mit einem thermisch leitenden Substrat, das sich über die offene Unterseite der Isoliergehäusekappe erstreckt, an dieser befestigt ist und eine Vielzahl von miteinander verbundenen Halbleiterbauelementen trägt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) in das Innere der Isoliergehäusekappe (50) eingesetzt ist und eine Vielzahl von voneinander isolierten starren Anschlüssen (55-57, 60-63) derart haltert, daß sich die einen Endbereiche der Anschlüsse senkrecht zur Ebene des Substrates (51) nach außen erstrecken, wobei
die Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) durchgehende, mit Abstand voneinander angeordnete Öffnungen aufweist, die die Vielzahl der Anschlüsse (55-57, 60-63) aufnehmen, um die Anschlüsse parallel beabstandet und isoliert voneinander zu haltern, wobei
die anderen Endbereiche der Anschlüsse in einer Ebene angeordnet sind, die koplanar zur oberen Oberfläche des Substrates (51) ist,
daß die obere Oberfläche des Substrates (51) mit Abstand voneinander angeordnete leitende Verbindungsbereiche (156, 160, 190) in ent sprechender Ausrichtung mit den jeweiligen anderen Endbereichen der Anschlüsse (55-57, 60-63) aufweist, die Endberei che der Anschlüsse mechanisch an ausgewählten Verbindungsbe reichen befestigt sind,
daß die Bodenfläche der Kunststoff-Formkörper-Anschlußträger platte (90) mit Abstand von der Oberseite des Substrates (51) angeordnet ist, um einen Hohlraum oberhalb des Substrates zu bilden, und
daß die Isoliergehäusekappe (50) mit Abstand voneinander ange ordnete Öffnungen an den Positionen der Anschlüsse entsprechen den Stellen aufweist, wobei sich die einen Endbereiche der Anschlüsse durch die Öffnungen in der Isoliergehäusekappe (50) hindurch erstrecken und die Außenanschlüsse des Moduls bilden.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (55-57, 60-63) mit Einrastsitz in der Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) befestigt sind.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zumindest teilweise mit einem weichen Silikon-Füllmaterial gefüllt ist.

4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Formkörper-Anschluß trägerplatte (90) eine verschließbare Öffnung (110) zum Einfül len des weichen Silikon-Füllmaterials in den Hohlraum aufweist.

5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Befestigungsöffnungen (73, 74) in Bereichen außerhalb der Isoliergehäusekappe (50) auf weist, und daß die KKunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) entfernbare Vorsprünge (210, 211) aufweist, die in die Befestigungsöffnungen (73, 74) einsetzbar sind, um die Position der Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) und der anderen Endbereiche der Vielzahl von Anschlüssen (55-57, 60-63) in Ausrichtung mit ihren jeweiligen Verbindungsbereichen auf dem Substrat (51) während des Zusammenbaus festzulegen.

6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Endbereiche der An schlüsse (55-57) umgebogen sind, um ebene Endbereiche zu bilden, die parallel zur Ebene des Substrates (51) verlaufen.

7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein IMS-Substrat (51) ist.

8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Isoliergehäusekappe (50) mit der Oberseite der Kunststoff-Formkörper-Anschlußträ gerplatte (90) verklebt ist, wobei das Klebemittel den Umfang jedes der Anschlüsse (55-57, 60, 63) an den Stellen, an denen sie sich durch die Kunststoff-Formkörper-Anschlußträgerplatte (90) und die Isoliergehäusekappe (50) erstrecken, umgibt und abdichtet.

9. Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Klebemittel ein Silikon- Klebemittel ist.

10. Modul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Kunststoff- Formkörper-Anschlußträgerplatte eine flache, Klebemittel auf nehmende Umrandung aufweist, durch die sich die Vielzahl von Anschlüssen erstreckt, und daß das Innere der Isoliergehäuse kappe eine Vielzahl von einstückigen Vorsprüngen aufweist, die in die Umrandung vorspringen und die Anschlüsse umgeben.

11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Halbleiterbauele menten IGBT-Halbleiterbauelemente (172 bis 174) einschließt.

12. Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die IGBT-Halbleiterbauelemente Gate- Widerstände in Serie mit ihren Gate-Elektroden enthalten, und daß die Gate-Widerstände in jedes Halbleiterbauelement inte griert sind.

13. Modul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Halbleiterbauele menten weiterhin Dioden-Halbleiterbauelemente mit kurzer Erhol zeit einschließt, die parallel zu jeweiligen IGBT-Halbleiter bauelementen geschaltet sind.

14. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat eine ebene dicke Bodenplatte (51) aus leitendem Material, eine dünne Schicht aus Isoliermaterial auf der Oberseite der Boden platte, und eine dünne Schicht aus leitendem Material umfaßt, die auf der Oberseite des Isoliermaterials angeordnet ist und ein vorgegebenes topologisches Muster über der Schicht aus Isoliermaterial aufweist, daß zumindest eine ebene, leitende Wärmeverteilungsplatte (170, 180) im wesentlichen über ihre gesamte Bodenfläche mit einem Bereich der dünnen Schicht aus leitendem Material verbunden ist und eine Wärmeverteilungs platte bildet, daß zumindest ausgewählte Halbleiterbauele mente der Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit der oberen Oberfläche der Wärmeverteilungsplatte (170, 180) eng benachbart zueinander verlötet sind und sich entlang einer Linie erstrecken, die allgemein entlang der Wärmeverteilungsplatte und durch deren Mittelpunkt hindurch verläuft, so daß Wärme in wirkungsvoller Weise von den Halbleiterbauelementen zum gesamten Volumen der Wärmeverteilungsplatte abgeleitet werden kann.

15. Modul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke Bodenplatte (51) und die Wärmeverteilungsplatte (170, 180) aus Aluminium bestehen.

16. Modul nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteilungsplatte eine rechtwinklige Platte ist, die eine Breite aufweist, die nahezu der vollen Breite der Bodenplatte (51) entspricht.

17. Modul nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden-Halbleiterbauelemente mit kurzer Erholzeit mit Abstand voneinander angeordnet sind und sich entlang einer Linie erstrecken, die parallel zur Linie der IGBT-Halbleiterbauelemente verläuft.