Beschreibung
Leistungshalbleitermodul
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, auf dessen Oberseite mindestens ein Halbleiterbauelement angeordnet ist und dessen Unterseite zur Wärmeabfuhr auf ein Kühlelement andrückbar ist, und mit mehreren Andruckelementen, die mechanischen Druck auf verschiedene Substrat- stellen in Richtung auf das Kühlelement ausüben, wobei die Andruckelemente als integrale Bestandteile eines Gehäuses ausgeformt sind und federnd auf die Substratstellen einwirken.
Die DE 101 42 971 AI beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, das ein mit Halbleiterbauelementen bestücktes Keramik- Substrat enthält. Die Halbleiterbauelemente sind mit Leiterbahnen auf der Substratoberseite kontaktiert, die u.a. zu Kontaktstiften zum externen Anschluss des Moduls führen.
Die Substratunterseite ist kupferkaschiert und fungiert als Wärmeableitkontaktfläche, um beim Betrieb der Halbleiterbauelemente in Form von Wärme auftretende Verlustleistungen an einen Kühlkörper oder ein Kühlelement abführen zu können.
Das Substrat ist von einem (Kunststoff-) Modulgehäuse umgeben und z.B. mittels Schraubverbindungen auf den Kühlkörper ge- presst. Zur optimalen Wärmeabfuhr ist ein durchgängiger und von Lufteinschlüssen freier Flächenkontakt zwischen Substrat- Unterseite und Kühlkörper erwünscht. Durch den Hochtempera- tur-Herstellungsprozess unterliegt das Substrat jedoch aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Leiter
(z.B. Kupfer) und Substrat (z.B. Keramik) internen mechanischen Spannungen. Diese können sich durch nachfolgende Herstellungsschritte (z.B. Lötvorgänge) noch verstärken. Dadurch ist eine Krümmung des Substrats oft unvermeidbar, so dass die Kontaktfläche zum Kühlkörper nicht plan ausgebildet ist.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, sind bei dem aus der
DE 101 42 971 AI bekannten Modul externe oder gehäuseinterne
Druckstempel vorgesehen, die von außen aufgebrachten Druck auf verschiedene Punkte oder Stellen des Substrats übertragen, um das Substrat möglichst gleichmäßig auf den Kühlkörper zu pressen. Dies wird dadurch unterstützt, dass das Substrat vorteilhafterweise in mehrere zusammenhängende, begrenzt zueinander relativbewegliche Substratbereiche unterteilt ist.
Vor allem Substrate mit größerer Flächenausdehnung sind jedoch hinsichtlich der an den einzelnen Stellen akzeptablen individuellen Andruckkraft äußerst empfindlich. Daher wurde in der DE 101 49 886 AI der Weg beschritten, die Andruckele- ente federn mit dem Gehäuse zu verbinden, um über die Federkräfte den Anpressdruck besser einstellen zu können.
Dabei erweist es sich aber als problematisch, bei einer größeren Anzahl von individuellen Andruckelementen mit diesen eine - insbesondere im mittleren, inneren Bereich des Substrats - gleichmäßige Druckbeaufschlagung zu realisieren. Wird eine zu große äußere Kraft aufgebracht, führt diese zu lokal zu starken Andrücken mit überhöhtem Druck und der Gefahr eines Bruchs der spröden Keramik. Wird die Andruckkraft dagegen zur Vermeidung von Substratbeschädigungen insgesamt zu klein gewählt, verbleiben Bereiche ohne Körperkontakt mit dem Kühlkörper. Bei einer z.B. über das Modulgehäuse einge-
leiteten äußeren Kraft wirken sich Bauteiltoleranzen zusätzlich nachteilig aus, da sie zu unterschiedlich starken Druckbeaufschlagungen der einzelnen Substratstellen führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass kostengünstig ein gleichmäßiger Flächenkontakt der Substratunterseite zum Kühlelement realisierbar ist, wobei die individuellen Druckbeaufschlagungen der einzelnen Substratstellen im wesentlichen gleich und von Bauteiltoleranzen unbeeinflusst sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Andruckelemente an einem ersten Gehäuseteil angeformt sind, das gegenüber einem zweiten Gehäuseteil relativ beweglich ist, und das zweite Gehäuseteil Abstandselemente aufweist, die eine Auflagefläche für das erste Gehäuseteil in festem Abstand relativ zu dem Substrat definieren.
Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht damit darin, dass die individuellen Andruckkräfte über individuell nachgiebige, d.h. elastische, federnde Elemente auf die zu beaufschlagenden Substratstellen aufgebracht werden. Durch den bereitgestellten Federweg können Abstandstoleranzen und Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Damit wird vorteilhafterweise die jeweilige Substratstelle mit einer zum Flächenkontakt ausreichenden Andruckkraft beaufschlagt, ohne dass - jedenfalls in weiten Toleranzbereichen - die Gefahr der Zerstörung des Substrats besteht.
Eine fertigungstechnisch bedeutsamer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Andruckelemente als integrale Bestandteile eines Modulgehäuses ausgeformt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Andruckelemente mit dem Gehäuse erzeugt und mit diesem einfach montiert werden können.
Ein letzter wesentlicher Aspekt der Erfindung ist schließlich, dass der Abstand des die Abstandselemente beinhaltenden ersten Gehäuseteils zum Substrat durch den zweiten Gehäuse- teil fest definiert und eingehalten wird, so dass durch Toleranzen des Modulgehäuses nicht der Abstand verkürzt wird, was zu einem starken Anpressdruck bis zur Zerstörung' des Substrats führen könnte.
Bei einer konstruktiv und fertigungstechnisch vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Andruckelemente stegförmig oder stempeiförmig ausgebildet sind und damit einen besonders genau definierten Andruck erzeugen.
Dabei sind bevorzugt die federnden Bereiche von Gehäusebereichen oder Bereichen der Andruckelemente mit Materialausneh- mungen oder Materialverdünnungen gebildet.
Im Hinblick auf die Montage und die Herstellung des erfin- dungsgemäßen Moduls ist bevorzugt vorgesehen, dass das Modulgehäuse nur an zwei gegenüberliegenden Seiten Bereiche zur mechanischen Verbindung mit dem Kühlelement aufweist. Mit diesen - z.B. als Verschraubung realisierten - Verbindungen wird über das Gehäuse die Andruckkraft erzeugt, die über die erfindungsgemäß vorgesehenen einzelnen federnden Andruckelemente mit individuell (je nach Federweg oder Einfederung)
veränderlicher Andruckkraft auf die einzelnen Substratstellen wirkt .
Häufig wird eine in engen Toleranzen bemessene Bauhöhe eines Moduls gefordert, so dass 'beispielsweise aus der Moduloberseite austretende Kontaktstifte einen vorgegebenen Abstand zu modulseitigen Anschlagflächen (z.B. für eine Montageplatine) haben. Dies ist nach dieser Ausgestaltung der Erfindung in einfacher Weise gewährleistet, wobei eine toleranzbehaftete Verformung oder Verschiebung der Andruckelemente bzw. des ersten Gehäuseteils ohne Auswirkungen auf das zweite Gehäuseteil und damit auf die Auflagefläche (n) bleibt.
Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung in Ergän- zung der in der DE 101 42 971 AI beschriebenen Ausgestaltung eines Substrats in Form zusammenhängender, aber in Grenzen zueinander relativbeweglicher Substratbereiche anwendbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls im Längsschnitt,
Figur 2 ein erstes Gehäuseteil des Moduls nach Figur 1,
Figur 3 ein zweites Gehäuseteil des Moduls nach Figur 1 und
Figur 4 das Modul nach Figur 1 komplettiert mit Anschlusskontakten in Seitenansicht.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat 1 mit einer (kupfer-) kaschierten Oberseite la und (kupfer-) kaschierten einer Unterseite lb. Auf der 0- berseite sind mehrere Leistungs-Halbleiterbauelemente 2, 3, 4 angeordnet und mit nicht näher dargestellten, in der Kaschierung ausgebildeten Leiterbahnen durch Bonddrähte 6 verbunden. An definierten Substratstellen sind - z.T. zwischen den Halbleiterbauelementen - Andruckstellen 10, 11, 12, 13 vorgesehen. Auf diese Stellen werden zur Erzielung eines durchgängi- gen, luftspaltfreien Flächenkontakts der Substratunterseite lb mit einem (nicht dargestellten) Kühlelement Druckkräfte zum gleichmäßigen Andruck ausgeübt.
Dazu sind mehrere individuelle Andruckelemente 16, 17, 18, 19 vorgesehen, die steg- oder stempeiförmig ausgebildet sind. Die freien Enden 16a, 17a, 18a, 19a der Andruckelemente gelangen bei der weiteren Montage (wie nachfolgend noch beschrieben) in Körperkontakt mit den Andruckstellen 10, 11, 12, 13.
Das Substrat und die Halbleiterbauelemente sind von einem Kunststoffgehäuse 20 umgeben, das von zwei Gehäuseteilen 21, 22 gebildet ist. Das erste Gehäuseteil 21 hat seitliche Flansche 21a, 21b mit je einer Bohrung für eine Schraubverbindung mit dem (nicht dargestellten) Kühlelement. Die Andruckelemente 16, 17, 18, 19 sind als integrale Bestandteile an das Gehäuseteil 21 angeformt, bevorzugt im gemeinsamen Spritzguss mit dem Gehäuseteil zusammen ausgebildet worden, so dass ihre anderen Enden lβb, 17b, 18b, 19b mit dem Gehäuseteil 21 verbunden sind.
Es hat sich gezeigt, dass das Aufbringen einer gemeinsamen äußeren Kraft zum gleichmäßigen Andruck aller Substratstellen problematisch ist. In Folge von Bauteiltoleranzen oder nicht planer Substratbereiche könnten lokal überhöhte Druckkräfte auftreten und zu einer Zerstörung des Substrats führen.
Daher ist vorgesehen, dass die Andruckelemente 16, 17, 18, 19 federnd auf die Andruckstellen 10, 11, 12, 13 wirken. Die Enden 16b, 17b, 18b, 19b der Andruckelemente können dazu über Bereiche 23, 24, 25, 26 mit Materialverdünnung oder Material- ausnehmungen mit dem Gehäuseteil 21 verbunden sein. Es ist aber genauso denkbar, die Andruckelemente selbst mit einer Feder zu versehen oder federelastisch auszubilden.
Diese detailliert in Figur 2 gezeigte Ausgestaltung kann z.B. kreuzartige materialverdünnte federnde Stege 27 im Bereich der Gehäusedeckseite 28 umfassen. (In Figur 2 sind insgesamt acht Andruckelemente gezeigt, in der weiteren Beschreibung wird der Einfachheit halber aber nur auf einzelne, auch in Figur 1 im Einzelnen bezeichnete Elemente, z.B. 16, Bezug genommen.) Damit ist das andere Ende (z.B. 16b) jedes Andruckelements (z.B. 16) in vertikaler Richtung federnd gelagert, so dass es bei einem, durch Bauteiltoleranzen oder durch Wölbung der Substratstelle 10 bedingt verminderten Andruckweg entsprechend einfedern kann und somit die auf die Substrat- stelle 10 ausgeübte Druckkraft nicht übermäßig hoch wird.
Mit anderen Worten: Die elastische Verformung bewirkt eine dosierte, nötigenfalls verminderte Andruckkraft, die auf das Substrat übertragen wird. Die beim Anschrauben der Gehäuseteile entstehende Anpresskraft FSChraube (Figur 1) wird in gewünschter Größenordnung auf die Andruckstellen verteilt. So
können auch in der Substratmitte ausreichende Andruckkräfte F realisiert werden, ohne z.B. im äußeren Substratbereich überhöhte Andruckkräfte zu erzeugen.
Wie Figur 1 weiter verdeutlicht, umgibt das Gehäuseteil 21 das zweite, innere Gehäuseteil 22, das flüssigkeitsdicht mit der Substratoberseite la verklebt ist und einen dichten Raum bildet, der bedarfsweise mit einer (dielektrischen) Vergussmasse durch eine Füllöffnung 21c (Figur 2) des Gehäuseteils 21 befüllbar ist.
Wie auch Figur 3 zeigt, weist das zweite Gehäuseteil 22 oben- seitige Dorne oder Dome 30, 31, 32, 33 auf, die mit ihren Endflächen 30a, 31a, 32a, 33a eine Auflageebene 34 für das Modul definieren. Das Gehäuseteil 22 hat ebenfalls seitliche Flansche 22a, 22b mit je einer Bohrung für eine Schraubverbindung mit dem (nicht dargestellten) Kühlelement. Die Flansche sind durch Fugen oder Schlitze 22c, 22d mechanisch von dem Rest des Gehäuseteils 22 entkoppelt, um die Übertragung etwaiger Spannungen der Schraubverbindung auf das Substrat zu vermeiden.
Wie Figur 2 weiter verdeutlicht, weist das Gehäuseteil 21 neben den Bohrungen in den Flanschen 21a, 21b weitere Öffnungen für Kontaktstifte (Figur 4) und Durchgangsbohrungen 21d,
21, e, 21f, 21g auf, durch die die Dorne 30, 31, 32, 33 längs- verschieblich hindurchdringen. Das Gehäuseteil 21 ist so in vertikaler Richtung relativ zu dem Gehäuseteil 22 ver- schieblich. Das Gehäuseteil 22 ist dagegen relativ zu dem Substrat 1 fixiert, so dass die Auflageebene 34 von etwaigen
Verschiebungen des Gehäuseteils 21 unbeeinflusst bleibt und
stets eine vorbestimmte Auflage- oder Montagefläche definiert. Somit bleibt die Montagehöhe des Moduls konstant.
Zur Montage werden die Gehäuseteile 21, 22 durch (nicht ge- zeigte) Schrauben mit dem (nicht dargestellten) Kühlelement verbunden; diese Schraubverbindungen erzeugen die mit FScϊιraube in Figur 1 bezeichneten Kräfte. Diese Kräfte wirken über die Andruckelemente als Druckkräfte F auf die einzelnen Andruckstellen 10, 11, 12, 13. Die äußere Kraft FSChraube führt zu ei- nem sehr gleichmäßigen Andruck an allen Andruckstellen, weil die federnd wirkenden Andruckelemente 16, 17, 18, 19 Bauteil- toleranzen oder nicht planere Substratoberseiten' wie beschrieben weitgehend kompensieren und so eine gleiche Kraft F an allen Stellen ausüben.
Das in Figur 4 gezeigte Modul mit den Gehäuseteilen 21, 22 und dem Substrat 1 ist durch äußere Anschlusskontakte 40 komplettiert, die das Gehäuseteil 21 durchdringen. Die Montagetiefe der Kontakte 40 ist durch die vom Gehäuseteil 21 unab- hängige Auflageebene 34 definiert.
Bezugszeichenliste :
1 Substrat la Oberseite lb Unterseite
2, 3, 4 Halbleiterbauelemente
6 Bonddraht
10, 11, 12, 13 Andruckstellen 16, 17, 18, 19 Andruckelemente
16a, 17a, 18a, 19a freie Enden
16b, 17b, 18b, 19b anderen Enden
20 Kunststoffgehäuse 21 Gehäuseteil
21a, 21b seitliche Flansche
21c Füllöffnung
21d, 21, e, 21f, 21g Durchgangsbohrungen
22 Gehäuseteil 22a, 22b Flansche
22c, 22d Schlitze
23, 24, 25, 26 Bereiche
27 federnde Stege
28 Gehäusedeckseite
30, 31, 32, 33 Dome
30a, 31a, 32a, 33a Endflächen
34 Auflageebene
40 Anschlusskontakte
Fschraube Kräfte
F Kräfte