DE102008014112A1 - Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung mit einem Gehäuse, mit einem Kühlkörper, mit einem Substrat, mit darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen und ihnen zugeordneten Lastanschlusselementen, wobei deren zum Substrat reichende Kontaktelemente zur schaltungsgerechten Kontaktierung mit den Leistungshalbleiterbauelementen erfindungsgemäß mit einem ersten und einem zweiten Kontaktabschnitt ausgebildet sind, welche in erfindungsgemäßen Ausgestaltungen in definierten Winkeln auf die Leiterbahnen des Substrats reichen.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein gehaustes Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung mit Last- und Hilfsanschlusselementen zur Anordnung auf einem Kühlbauteil.
  • Einen Ausgangspunkt der Erfindung bilden Leistungshalbleitermodule wie sie beispielhaft aus der DE 197 19 703 A1 bekannt sind. Derartige Leistungshalbleitermodule bestehen nach dem Stand der Technik aus einem Gehäuse mit mindestens einem darin angeordneten elektrisch isolierenden Substrat vorzugsweise zur direkten Montage auf einem Kühlbauteil. Das Substrat seinerseits besteht aus einem Grundkörper mit einer Mehrzahl darauf befindlicher gegeneinander isolierter metallischer Verbindungsbahnen und hierauf befindlichen und mit diesen Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen. Weiterhin weisen die bekannten Leistungshalbleitermodule Anschlusselemente für externe Last- und Hilfsanschlüsse sowie im Inneren angeordnete Verbindungselemente auf. Diese Verbindungselemente für schaltungsgerechte Verbindungen im Inneren des Leistungshalbleitermoduls sind meist als Drahtbondverbindungen ausgebildet.
  • Ebenfalls bekannt sind Druck kontaktierte Leistungshalbleitermodule, wie sie aus der DE 42 37 632 A1 , der DE 199 03 875 A1 oder der DE 101 27 947 C1 bekannt sind. Bei erstgenannter Druckschrift weist die Druckeinrichtung ein stabiles Druckelement zum Druckaufbau, ein elastisches Kissenelement zur Druckspeicherung und ein Brückenelement zur Druckeinleitung auf gesonderte Bereiche der Substratoberfläche auf. Das Brückenelement ist vorzugsweise ausgestaltet als ein Kunststoffformkörper mit einer dem Kissenelement zugewandten Fläche, von der eine Vielzahl von Druckfingern in Richtung der Substratoberfläche ausgeht.
  • Mittels einer derartigen Druckeinrichtung wird das Substrat auf ein Kühlbauteil gedrückt und somit der Wärmeübergang zwischen dem Substrat und dem Kühlbauteil dauerhaft sicher hergestellt. Das elastische Kissenelement dient hierbei der Aufrechterhaltung konstanter Druckverhältnisse bei unterschiedlichen thermischen Belastungen und über den gesamten Lebenszyklus des Leistungshalbleitermoduls.
  • Aus der DE 101 57 947 C1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, wobei die Lastanschlusselemente derart ausgebildet sind, dass sie in Abschnitten eng benachbart senkrecht zur Substratoberfläche verlaufen und von dort ausgehende Kontaktelemente aufweisen, die den elektrischen Kontakt zu den Leiterbahnen herstellen und gleichzeitig Druck auf das Substrat ausüben und somit dessen thermischen Kontakt zu einem Kühlbauteil herstellen. Der Druck wird hierbei mit Mitteln nach dem Stand der Technik eingeleitet und gespeichert.
  • Aus der DE 10 2006 006 423 A1 ist schließlich ein Leistungshalbleitermodul und ein zugehöriges Herstellungsverfahren bekannt, wobei die Lastanschlusselemente als Metallformkörper mit einem ersten Kontaktelement und einem bandartigen, parallel zur Substratoberfläche verlaufenden Abschnitt ausgeformt sind, von welchem innere Kontaktelemente die Kontaktierung mit dem Substrat ermöglichen. In derartigen Lastanschlusselementen wird der Strom regelmäßig über das erste Kontaktelement in Längsrichtung des bandartigen Abschnitts und durch die zweiten Kontaktelemente geführt, welche hierdurch die entsprechend zugeordneten Leiterbahnen schaltungsgerecht kontaktieren. Die von den Lastanschlusselementen ausgehenden Kontaktelemente werden hierbei durch ein Stanz-Biege-Verfahren aus dem Material des Lastanschlusselements senkrecht zum bandartigen Abschnitt des Lastanschlusselements in Richtung des Substrats ausgestaltet, wobei der Kontakt zur Leiterbahn durch das stumpf auf der Leiterbahn aufstehende Ende des flächigen Endes des Formkörpers des zweiten Kontaktelements ausgestaltet wird.
  • Nachteilig an den Leistungshalbleitermodulen nach dem bisher genannten Stand der Technik ist, dass dergestalt ausgestalteten Kontaktelemente eine sich aus der Stanzform bedingende vordefinierte Höhe mit einer stumpf-planen Endfläche zur Kontaktierung mit den ihnen zugeordneten Leiterbahnen aufweisen. Die erforderliche Toleranz dern Höhe als auch die jeweils plane Kontaktendfläche bedingen in Verbindung mit der zur Druckkontaktierung dienenden Druckeinrichtung eine geringe Toleranz bezüglich der Druck einleitenden Kräfte, da bei zu hohem Druck die starre Ausformung der Kontaktelemente das Substrat beschädigt werden kann, während bei zu niedrigem Druck die zuverlässige Kontaktierung aller zweiten Kontaktelemente mit der zugeordneten Leiterbahn nicht gewährleistet sein kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung mit Lastanschlusselementen und ihnen zugeordneten Kontaktelementen zum Substrat vorzustellen, wobei die Kontaktabschnitte der Kontaktelemente weitergebildet sind, um eine Toleranz bezüglich der Druck einleitenden Kräfte zuzulassen als auch die erlaubte Fertigungstoleranz der einzelnen zweiten Kontaktelemente zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Maßnahmen der Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der erfinderische Gedanke geht aus von einer Anordnung eines Leistungshalbleitermoduls in Druckkontaktausführung auf einem Kühlbauteil mit mindestens einem Substrat, mindestens zwei hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, einem Gehäuse und nach außen führenden Last- und Steueranschlusselementen. Das Substrat selbst weist einen Grundkörper auf und auf dessen erster, dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche Leiterbahnen mit Lastpotential. Weiterhin weist das Substrat vorzugsweise auch mindestens eine Leiterbahn mit Steuerpotential zu Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente auf.
  • Das Leistungshalbleitermodul weist weiterhin Lastanschlusselemente mit hoher Stromtragefähigkeit auf, jeweils ausgebildet als Metallformkörper mit einem ersten Kontaktelement, einem bandartigen Abschnitt und mit einer Mehrzahl von diesem ausgehenden zweiten Kontaktelementen auf. Die jeweiligen bandartige Abschnitte sind parallel zur Substratoberfläche und von dieser beabstandet angeordnet. Die zweiten Kontaktelemente, die von dem bandartigen Abschnitt ausgehen, reichen zum Substrat und bilden dort schaltungsgerecht die Kontaktierung der Lastanschlüsse aus. Vorzugsweise kontaktieren sie hierzu auf dem Substrat die Leiterbahnen mit Lastpotential, alternativ auch direkt die Leistungshalbleiterbauelemente.
  • Erfindungsgemäß weist hierbei das mindestens eine zweite Kontaktelement einen ersten und einen zweiten Kontaktabschnitt auf. In seinem ersten Kontaktabschnitt reicht das Kontaktelement in einem definierten Winkel α zwischen 20 und 80 Grad vom bandartigen Abschnitt an die zugeordnete Leiterbahn. Anschließend an den ersten Kontaktabschnitt weist das Kontaktelement einen zweiten Kontaktabschnitt auf, welcher eine Verformung, weggerichtet vom ersten Kontaktabschnitt, aufweist. Diese Verformung ist vorzugsweise als konvexe Krümmung oder als Falz ausgestaltet. Hierdurch weist das Kontaktelement eine erfindungsgemäß ausgestaltete Kontaktfläche im zweiten Kontaktabschnitt aus, der in Verbindung mit dem ersten Kontaktabschnitt eine Toleranz des zweiten Kontaktelements bezüglich der Druck einleitenden Kräfte ermöglicht und dergestalt eine zuverlässige Kontaktierung ohne Gefahr der Beschädigung des Substrats gestattet.
  • Bevorzugt bilden weiterhin die Lastanschlusselemente einen Stapel, wobei hierbei zwischen jeweils benachbarten Lastanschlusselementen im Bereich der jeweiligen bandartigen Abschnitte eine isolierende Zwischenlage angeordnet ist.
  • Die erfinderische Lösung wird an Hand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 5 weiter erläutert.
  • 1 zeigt im Querschnitt ein Leistungshalbleitermodul gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt in dreidimensionaler Darstellung ein Lastanschlusselement gemäß dem Stand der Technik.
  • 3 zeigt im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
  • 4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung eines Lastanschlusselements in einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul in Auf (4a)- und Untersicht (4b).
  • 5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung eines Lastanschlusselements in einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul in Auf (5a)- und Untersicht (5b).
  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein Leistungshalbleitermodul (1) gemäß dem Stand der Technik. Dieses weist ein Gehäuse (3) mit einem rahmenartigen Gehäuseteil auf, der fest mit dem Kühlbauteil (2) der Anordnung verbunden ist. Der rahmenartige Gehäuseteil umschließt hierbei das mindestens eine Substrat (5). Dieses wiederum weist einen Grundkörper (52), vorzugsweise eine Isolierkeramik, wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit auf. Auf der, dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls (1) zugewandten, ersten Hauptfläche weist das Substrat in sich strukturierte Leiterbahnen (54) auf. Auf den Leiterbahnen (54) des Substrats sind Leistungshalbleiterbauelemente (60) angeordnet und schaltungsgerecht mit weiteren Leiterbahnen (54), beispielhaft mittels Drahtbondverbindungen (62), verbunden.
  • Die Lastanschlusselemente (40, 42, 44) mit den verschiedenen notwendigen Potentialen dienen der stromtragefähigen externen Verbindung der leistungselektronischen Schaltung im Inneren des Leistungshalbleitermoduls (1). Hierzu sind die Lastanschlusselemente (40, 42, 44) als Metallformkörper ausgebildet, die je einen bandartigen Abschnitt (402, 422, 442) parallel zur Substratoberfläche aufweisen. Die bandartigen Abschnitte (402, 422, 442) bilden hierbei einen Stapel (4), wobei die bandartigen Abschnitte der einzelnen Lastanschlusselemente (40, 42, 44) jeweils mittels einer isolierenden Zwischenlage (46) voneinander beabstandet und gegeneinander elektrisch isoliert sind. Notwendige Hilfsanschlusselemente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser Schnittzeichnung nicht dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul (1) weist eine als Isolierstoffformkörper (30) ausgebildete Zwischenlage zwischen dem Stapel der bandartigen Abschnitte (402, 422, 442) der Lastanschlusselemente (40, 42, 44) und dem Substrat (5) auf. Der Isolierstoffformkörper (30) weist Ausnehmungen (32) zur Durchführung der Kontaktelemente (400, 420, 440) des Stapels (4) auf.
  • Die Druckeinrichtung (70) zur thermischen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einem Kühlbauteil (2) und gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung der Lastanschlusselemente mit den Leiterbahnen des Substrats wird gebildet durch ein Druckelement (72) zum Druckaufbau auf den Stapel. Hierzu weist das Druckelement Druckfinger (74) nach dem Stand der Technik auf.
  • 2 zeigt in dreidimensionaler Darstellung ein Lastanschlusselement gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist das Lastanschlusselement (44), mit einer Mehrzahl von Kontaktelementen (400), die von einem zugeordneten bandartigen Abschnitt (402) ausgehen. Die Kontakteinrichtung (404) bildet den externen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls. Die Kontaktelemente sind einstückig durch Stanz-Biege-Verfahren ausgestaltet, wobei ihre dem Substrat zugewandten stumpf-planen Endflächen (490) der Kontaktierung mit den zugeordneten Leiterbahnen (54) dienen.
  • 3 zeigt im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul in Weiterbildung des Standes der Technik, wobei hier baugleiche Elemente zu 1 nicht extra beschrieben sind. Erfindungsgemäß sind hier die zweiten Kontaktelemente (820) als einstückig ausgebildete Kontaktelemente mit einem ersten (820a) und einem zweiten (820b) Kontaktabschnitt ausgebildet, wobei der zweite Kontaktabschnitt die Kontaktfläche (820c) zur Kontaktierung mit der zugeordneten Leiterbahn ausbildet.
  • 4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung eines Lastanschlusselements eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul in Auf (4a)- und Untersicht (4b). Hierbei sind die Kontaktelemente (820) einstückig aus dem Material ausgestaltet, und bilden erfindungsgemäß einen ersten (820a) und einen zweiten (820b) Kontaktabschnitt aus. Hierbei reicht der erste Kontaktabschnitt (820a) in einem Winkel von α = 60 Grad von dem bandartigen Abschnitt (802) des Lastanschlusselements (80) zur zugeordneten Leiterbahn (54) auf dem Substrat (5). In einem zweiten Kontaktabschnitt (820b) weist das Kontaktelement eine konvexe Krümmung von dem ersten Kontaktabschnitt weggerichtet auf und bildet hierbei die zur Kontaktierung notwendige Kontaktfläche (820c) aus.
  • 5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung eines Lastanschlusselements eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul in Auf (4a)- und Untersicht (4b). Hierbei sind die zweiten Kontaktelemente (822) einstückig aus dem Material ausgestaltet, und bilden erfindungsgemäß einen ersten (822a) und einen zweiten (822b) Kontaktabschnitt aus. Hierbei reicht der erste Kontaktabschnitt (822a) in einem Winkel von α = 60 Grad von dem bandartigen Abschnitt (802) des Lastanschlusselements (80) zur zugeordneten Leiterbahn (54) auf dem Substrat (5). In einem zweiten Kontaktabschnitt (822b) weist das Kontaktelement einen Falz (822d) in einem Winkel derart auf, dass sich eine Kontaktfläche (822c) parallel zum bandartigen Abschnitt des Lastanschlusselements ergibt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19719703 A1 [0002]
    • - DE 4237632 A1 [0003]
    • - DE 19903875 A1 [0003]
    • - DE 10127947 C1 [0003]
    • - DE 10157947 C1 [0005]
    • - DE 102006006423 A1 [0006]

Claims (5)

  1. Leistungshalbleitermodul (1) in Druckkontaktausführung zur Anordnung auf einem Kühlbauteil (2), mit mindestens einem Substrat (5), mindestens einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (60), einem Gehäuse (3) und nach außen führenden Last- (80, 42, 44) und Steueranschlusselementen und mit einer Druckeinrichtung, wobei das Substrat (5) einen Grundkörper (52) aufweist und auf dessen erster dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandten Hauptfläche Leiterbahnen (54) mit Lastpotential angeordnet sind wobei mindestens ein Lastanschlusselement als Metallformkörper mit mindestens einem ersten Kontaktelement (804, 424, 444), einem bandartigen Abschnitt (802, 422, 442) und mit von diesem ausgehenden zweiten Kontaktelementen (820, 420, 440) ausgebildet sind, der bandartige Abschnitt parallel zur Substratoberfläche und von dieser beabstandet angeordnet sind und die zweiten Kontaktelemente von dem bandartigen Abschnitt zum Substrat (5) reichen und dieses schaltungsgerecht kontaktieren, und wobei die zweiten Kontaktelemente (820, 822) einen ersten und einen zweiten Kontaktabschnitt aufweisen, wobei der erste Kontaktabschnitt (820a, 822a) in einem definierten, nichtrechten Winkel (α) von dem bandartigen Abschnitt (802) des Lastanschlusses (80) an die zugeordneten Leiterbahnen (54) reicht und wobei der anschließende zweite Kontaktabschnitt (820b, 822b) eine Verformung von dem ersten Kontaktabschnitt wegreichend aufweist und wobei der zweite Kontaktabschnitt eine Kontaktfläche (820c, 822c) zur schaltungsgerechten Kontaktierung mit den Leiterbahnen (54) ausbildet.
  2. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, wobei der definierte Winkel (α) mindestens 20° und höchtens 80° beträgt.
  3. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Verformungen des zweiten Kontaktabschnitts (820b, 822b) eine konvexe Krümmung oder einen Falz (822d) aufweist.
  4. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, wobei die bandartigen Abschnitte (802, 422, 442) der Lastanschlusselemente (80, 42, 44) einen Stapel bilden.
  5. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 5, wobei die bandartigen Abschnitte (802, 420, 440) der einzelnen Lastanschlusselemente (80, 42, 44) jeweils eine isolierende Zwischenlage (46) aufweisen.
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