WO1998052221A1 - Leistungshalbleitermodul mit keramiksubstrat - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a power semiconductor module with a plastic housing, in which a substrate is used as the housing base, which substrate consists of a ceramic plate which is provided with a metallization on the upper and lower side, the metallization on the upper side facing the housing interior the ceramic plate to form
  • Conductor tracks is structured and is equipped with semiconductor components and connecting elements, and in which connection elements for external connections are introduced.
  • connection elements for the external connections are arranged in the plastic housing.
  • the connection elements which usually consist of copper, are injected into the plastic housing.
  • plastic has the property of cooling, i.e. so to shrink after spraying. This means that the connecting elements are generally not firmly anchored in the plastic.
  • Wires are bonded to the connection elements inside the housing, the other end of which is bonded to the semiconductor components. These wires are usually made of aluminum.
  • the plastic shrinks after spraying the poor mechanical fixation of the connection elements in the plastic housing can lead to the release of the bond connection inside the housing. This leads to the failure of the power semiconductor module.
  • the object of the present invention is therefore to provide a power semiconductor module of the type mentioned at the outset, in which there is very good mechanical fixing of the connection elements, so that the problems mentioned above do not occur. It is also the task of the present Invention to further simplify the manufacturing process of the plastic housing.
  • connection elements are pressed into openings in the plastic housing.
  • this measure fixes the metal parts in the plastic housing in a relatively simple process. In particular, this does not require a separate injection mold, into which the connection elements are inserted before each injection process and then overmolded.
  • connection elements are pressed into the openings of the plastic housing to anchor them significantly better, so that reliable bond connections are made possible inside the housing.
  • connection elements have lugs which rest on the inside of the plastic housing and fix the position of the connection elements. These lugs preferably have the shape of barbs, so that the connection elements are guided closely in the openings and are secured by pulling them out. It is also conceivable to provide the connecting elements with offsets which fix the connecting elements in the openings.
  • connection elements expediently have regions in the interior of the housing which run approximately parallel to the housing base. This makes bonding much easier.
  • the plastic housing typically consists of a frame and a cover, the connecting elements being arranged in the frame.
  • the substrate is covered within the housing with a potting compound, which is used to encapsulate the substrate in moisture density.
  • FIG. 1 shows a cross section through a conventional power semiconductor module and 2 shows an enlarged partial view of a frame of a plastic housing according to an embodiment of the invention.
  • the power semiconductor module 1 consists of a plastic housing 2, into which a substrate 4 is inserted as the housing base 3.
  • the substrate 4 consists of a ceramic plate 5, which is provided on the upper side 6 and on the lower side 7 with a metallization.
  • the metallization on the upper side 6 faces the interior of the housing and is structured to form conductor tracks.
  • Semiconductor components 10 are applied to this upper side 6 of the ceramic plate 5. These semiconductor components are generally power semiconductor components such as IGBTs, MCTs, power transistors or power diodes. Furthermore, there are connecting elements 8, which have the shape of aluminum wires. These connecting elements 8 are applied to the semiconductor components 10 via bonding processes.
  • the plastic housing 2 consists of a frame 9 and a cover 10.
  • a frame 9 connecting elements for external connections are injected according to the prior art.
  • connection elements 11 are injected into the plastic frame 9 with a separate injection mold. In this injection mold, before each injection gang inserted the relevant connector and then overmolded.
  • FIG. 2 shows a plastic frame according to the present invention, in which the connection elements 11 are pressed into openings 12 in the plastic frame 9.
  • the connection elements 11 here have lugs 13 which rest on the inside of the plastic housing 2. As a result, the connection elements 11 are fixed in their position. These lugs 13 have the function of barbs, which secure the connection elements 11 against unintentional pulling out. As a result, the bond connections between the connection elements 11 and the semiconductor components 10 or connection elements 8 are secured against destruction.
  • connection elements 11 run in the interior of the housing approximately parallel to the housing base 3.
  • the plastic housing 2 shown here consists of a plastic frame and a cover.

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul vorgestellt, bei dem die Anschlußelemente (11) in Öffnungen des Kunststoffgehäuses eingepreßt sind. Durch diese Maßnahme wird die Zuverlässigkeit der internen Bondverbindungen (8) zwischen dem Substrat (4) und dem Anschlußelement (11) verbessert, da keine Gefahr mehr besteht, daß die Anschlußelemente (11) im Kunststoffgehäuse (9) sich lockern.

Description

Beschreibung
Leistungshalbleitermodul mit Keramiksubstrat
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse, in das als Gehäuseboden ein Substrat eingesetzt ist, das aus einer Keramikplatte besteht, die auf der oberen und unteren Seite mit einer Metallisierung versehen ist, wobei die Metallisierung auf der oberen, dem Gehäusein- neren zugewandten Seite der Keramikplatte zur Bildung von
Leiterbahnen strukturiert ist und mit Halbleiterbauelementen und Verbindungselementen bestückt ist, und in dem Anschlußelemente für äußere Anschlüsse eingebracht sind.
Solche Leistungshalbleitermodule sind seit langem bekannt. Bei diesen Leistungshalbleitermodulen sind die Anschlußelemente für die äußeren Anschlüsse in dem Kunststoffgehäuse angeordnet. Dabei werden die Anschlußelemente, die in der Regel aus Kupfer bestehen, in das Kunststoffgehäuse eingespritzt. Kunststoff hat aber die Eigenschaft beim Erkalten, d.h. also nach dem Spritzen zu schrumpfen. Dies führt dazu, daß die An- schlußele ente im Kunststoff in der Regel nicht fest verankert sind. An den Anschlußelementen werden im Gehäuseinneren Drähte aufgebondet, deren anderes Ende an den Halbleiterbau- elementen angebondet ist. Diese Drähte bestehen in der Regel aus Aluminium. Dadurch, daß der Kunststoff aber nach dem Spritzen schrumpft, kann es dazu kommen, daß in folge der schlechten mechanischen Fixierung der Anschlußelemente im Kunststoffgehäuse es zur Lösung der im Gehäuseinneren vorlie- genden Bondverbindung kommt. Dies führt zum Ausfall des Leistungshalbleitermoduls .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleitermodul der eingangsgenannten Art bereitzustel- len, bei dem eine sehr gute mechanische Fixierung der Anschlußelemente vorliegt, so daß es zu den obengenannten Problemen nicht kommt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Herstellverfahren der Kunststoffgehäuse weiter zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anschlußelemente in Öffnungen des Kunststoffgehäuses eingepreßt sind.
Durch diese Maßnahme werden zum einen die Metallteile in einem relativ einfachen Verfahren in das Kunststoffgehäuse fi- xiert. Insbesondere ist dazu kein separates Spritzwerkzeug, in welches vor jedem Spritzvorgang die Anschlußelemente eingelegt werden und anschließend umspritzt werden, notwendig.
Ferner sind durch das Einpressen der Anschlußelemente in die Öffnungen des Kunststoffgehäuses dort deutlich besser verankert, so daß zuverlässige Bondverbindungen im Gehäuseinneren ermöglicht werden.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen die Anschlußelemente Nasen auf, die an der Innenseite des Kunststoffgehäuses anliegen und die Anschlußelemente in ihrer Lage fixieren. Vorzugsweise haben diese Nasen die Gestalt von Widerhaken, so daß die Anschlußelemente eng in den Öffnungen geführt werden und durch Herausziehen gesichert sind. Es ist auch denkbar, die Anschlußelemente mit Kröpfungen zu versehen, welche die Anschlußelemente in den Öffnungen fixieren.
Zweckmäßigerweise weisen die Anschlußelemente Bereiche im Gehäuseinneren auf, die in etwa parallel zum Gehäuseboden ver- laufen. Dadurch wird das Bonden erheblich erleichtert.
Typischerweise besteht das Kunststoffgehäuse aus einem Rahmen und einem Deckel, wobei die Anschlußelemente in dem Rahmen angeordnet sind. Das Substrat ist innerhalb des Gehäuses mit einer Vergießmasse abgedeckt, die zur Feuchtedichtenkapselung des Substrats dient.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
FIG 1 eine Querschnitt durch ein konventionelles Leistungshalbleitermodul und FIG 2 eine vergrößerte Teilansicht eines Rahmens eines Kunststoffgehäuses nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie aus der Figur 1 zu ersehen ist, besteht das Leistungs- halbleitermodul 1 aus einem Kunststoffgehäuse 2, in das als Gehäuseboden 3 ein Substrat 4 eingesetzt ist.
Das Substrat 4 besteht aus einer Keramikplatte 5, die auf der oberen Seite 6 und auf der unteren Seite 7 mit einer Metalli- sierung versehen ist. Die Metallisierung auf der oberen Seite 6 ist dem Gehäuseinneren zugewandt und ist zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert. Auf dieser oberen Seite 6 der Keramikplatte 5 sind Halbleiterbauelemente 10 aufgebracht. Diese Halbleiterbauelemente lOsind in der Regel Leistungs- halbleiterbauelemente wie IGBTs, MCTs, Leistungstransistoren oder Leistungsdioden. Des weiteren befinden sich dort Ver- bindungselemente 8, die die Gestalt von Aluminiumdrähten aufweisen. Diese Verbindungselemente 8 werden über Bondverfahren auf den Halbleiterbauelementen 10 aufgebracht.
Das Kunststoffgehäuse 2 besteht aus einem Rahmen 9 und einem Deckel 10. In den Rahmen 9 sind hier nach dem Stand der Technik Anschlußelemente für äußere Anschlüsse eingespritzt.
Dabei werden diese Anschlußelemente 11 in den aus Kunststoff bestehenden Rahmen 9 mit einem separaten Spritzwerkzeug eingespritzt. In dieses Spritzwerkzeug wird vor jedem Spritzvor- gang das betreffende Anschlußelement eingelegt und anschließend umspritzt.
Die Figur 2 zeigt einen Kunststoffrahmen nach der vorliegen- den Erfindung, bei dem die Anschlußelemente 11 in Öffnungen 12 des Kunststoffrah ens 9 eingepreßt sind. Die Anschlußelemente 11 weisen hier Nasen 13 auf, die an der Innenseite des Kunststoffgehäuses 2 anliegen. Dadurch werden die Anschlußelemente 11 in ihrer Lage fixiert. Diese Nasen 13 haben die Funktion von Widerhaken, die die Anschlußelemente 11 gegen unbeabsichtigtes Herausziehen sichern. Dadurch sind die Bondverbindungen zwischen den Anschlußelementen 11 und den Halbleiterbauelementen 10 bzw. Verbindungselementen 8 gegen Zerstörung gesichert.
Die Anschlußelemente 11 verlaufen im Gehäuseinneren in etwa parallel zum Gehäuseboden 3. Das hier gezeigte Kunststoffgehäuse 2 besteht aus einem Kunststoffrahmen und einem Deckel.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Kunststoffgehäuse (2), in das als Gehäuseboden (3) ein Substrat (4) eingesetzt ist, das aus einer Keramikplatte (5) besteht, die auf der oberen und unteren Seite (6, 7) mit einer Metallisierung versehen ist, wobei die Metallisierung auf der oberen, dem Gehäuseinneren zugewandten Seite (6) der Keramikplatte (5) zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert ist und mit Halblei- terbauelementen (10) und Verbindungselementen (8) bestückt ist, und in dem Anschlußelemente (11) für äußere Anschlüsse eingebracht sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußelemente (11) in Öffnungen des Kunststoffge- häuses (2) eingepreßt sind.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußelemente (11) Nasen (13) aufweisen, die an der Innenseite des Kunststoffgehäuses (2) anliegen und die Anschlußelemente (11) in ihrer Lage fixieren.
3. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußelemente (11) im Gehäuseinneren in etwa parallel zum Gehäuseboden (3) verlaufen.
4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kunststoffgehäuse (2) aus einem Rahmen und einem Deckel besteht.
5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußelemente (11) in dem Rahmen angeordnet sind.
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (4) mit einer Vergießmasse abgedeckt ist.
7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Vergießmasse eine Weichvergießmasse und eine Hartvergießmasse auf der Weichvergießmasse vorgesehen ist.
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