DE3505086A1 - Leistungshalbleitermodul mit einem kunststoffgehaeuse - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit einem kunststoffgehaeuse

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Description

  • Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein solches Leistungshalbleitermodul mit Befestigungslaschen ist aus der DE-OS 33 07 704 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen und gegebenenfalls weiteren Bauelementen auf einem Keramiksubstrat, das als Bodenplatte in Ausnehmungen an einem Kunststoffgehäuse eingesetzt ist. Das Keramiksubstrat ragt geringfügig über den Rand des Kunststoffgehäuses hinaus, damit das Keramiksubstrat nach der Montage des Moduls auf einen Kühlkörper fest an diesen Kühlkörper gedrückt wird und somit ein guter Wärmeübergang erreicht wird.
  • Die Montage des Moduls auf einen Kühlkörper erfolgt mittels Befestigungsschrauben, die durch eine Bohrung in den Befestigungslaschen gesteckt werden. Bei Dekannten Modulen ist beim Festziehen der Schrauben darauf zu achten, daß ein bestimmtes Drehmoment nicht überschritten wird, weil es sonst zu einem Bruch des Keramiksubstrats kommen kann. Aus der DE-OS 33 07 704 sind zwei Vorschläge bekannt, um dies zu verhindern. Nach dem ersten Vorschlag wird am Ubergang zwischen der Gehäusewand zur Befestigungslasche ein Schlitz vorgesehen. Nach dem zweiten Vorschlag werden im Bereich der mit den Befestigungslaschen versehenen Rahmenwandungen spaltförmige Aussparungen zwischen einer umlaufenden Vertiefung und dem Keramiksubstrat vorgesehen. Mit diesen Lösungen soll vermieden werden, daß sich das mechanische Spannungsfeld im Bereich der Befestigungsschrauben unmittelbar auf die bruchempfindliche Keramikplatte überträgt. Es hat sich allerdings gezeigt, daß Schlitze zwischen der Befestigungslasche und der Gehäusewand die Stabilität des gesamten Gehäuses gegen vertikale Zugkräfte sowie gegen seitliche Kräfte und gegen Verkippen verringern. Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn bei Modulen für hohe Leistungen die elektrischen Anschlüsse mit massiven Stromschienen aus Kupfer verbunden werden müssen.
  • Bereits geringe Höhenunterschiede oder seitlich versetzte Montage führen dabei zu starker Kräfteausübung auf das Modul.
  • Auch die Lösung gemäß dem zweiten Vorschlag, die zu einer Spaltbildung zwischen Keramikplatte und der Auflagefläche am Gehäuseboden im Bereich der angeformten BefestigunEslaschen führt, ist bei Hochleistungsmodulen nur begrenzt wirksam. Wenn nämlich die Befestigungsschrauben mit sehr hohem Drehmoment festgezogen werden, verformt sich das Gehäuse und der Luftspalt zwischen Keramikplatte und Gehäuse verschwindet. Der Spalt kann nämlich nur sehr klein gewählt werden, weil sonst Vergubmasse austreten kann oder die Isolationsfestigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Leistungshalbleitermodule mit einem Kunststoffgehäuse anzugeben, die auch für hohe Leistungen (z.B. Gleichströme über 100 Ampere) geeignet sind und die gesichert sind gegen starke Zugkräfte und seitliche Kräfte, wobei das Keramiksubstrat von schädlichen mechanischen Spannungen entlastet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Leistungshalbleitermodul durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die damit vorgeschlagene federnde bzw. elastische Anordnung des Keramiksubstrats läßt es zu, daß die Befestigungsschrauben mit hohem Drehmoment angezogen werden.
  • Auf vorteilhafte Weise wird auch eine gute mechanische Entkopplung zwischen der Befestigungsstelle und den äußeren elektrischen Anschlüssen erreicht. Die federnde Anordnung kann vorteilhaft mit einer dünnwandigen Lippe zwischen der Gehäusewand und einer Aufnahmerille für das Keramiksubstrat erreicht werden. Die nachgiebige Lippe am Gehäuse kann einfach flach oder platzsparend gefaltet ausgeführt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine erste Modulausführung mit einer flachen Lippe am Kunststoffgehäuse, Fig. 2 eine zweite Modulausführung mit einer gefalteten Lippe am Kunststoffgehäuse.
  • Fig. 1 zeigt ein Kunststoffgehäuse 1 mit einer angeformten Befestigungslasche 2, die eine Bohrung 3 aufweist.
  • Das Kunststoffgehäuse 1 kann zweckmäßig aus einem glasfaserverstärkten thermoplast bestehen. Am unteren Rand einer Gehäusewand 4 ist eine flache Lippe 5 angeformt, an deren Ende sich eine Aufnahmerille 6 befindet, in die ein Keramiksubstrat 7 eingeklebt wird. In der Aufnahmerille ö ist eine kleine Nut 8 zur Aufnahme von überschüssigem Klebstoff vorgesehen. Als Klebstoff wird ein Elastomer auf Silikonbasis benutzt.
  • Das z.B. mit direkt gebondetem Kupfer 9 metallisierte Substrat 7 ragt typisch etwa 0,1 bis 0,3 mm unten aus dem Gehäuse heraus, um die gewünschten Andruckverhältnisse zu erreichen. Auf der Oberseite des metallisierten Substrats 7 ist ein Halbleiterchip 10 (z.B. eine Diode) aufgelötet, das oben über eine Molybdänronde 11 und einen Kontaktbügel 12 kontaktiert ist. Außerdem ist ein Anschlußelement 13 für einen äußeren elektrischen Anschluß 14 dargestellt, das einen Dehnungsbogen 15 aufweist. Das bestückte Substrat 7 ist mit einer Vergußmasse 16 überdeckt. Als Vergußmasse 16 wird ein weicher elastischer Silikonkautschuk (Elastomer) bevorzugt.
  • Die flache Lippe 5 wird zweckmäßig etwa 0,5 bis 1 mm dick ausgeführt. Die Länge der Lippe 5 richtet sich nach dem gewünschten Grad der Nachgiebigkeit. Bei der Montage des Moduls auf einen Kühlkörper laßt es die Nachgiebigkeit der Lippe 5 zu, daß das etwas hervorstehende Substrat 7 ein wenig nach innen gedrückt wird. Dadurch wird ein gleichmäßiger Andruck des 3ubstrats 7 auf den Kühlkörper erreicht. Die Andruckkraft ist abhängig von der Dicke und Länge der Lippe 5 und der Art der Vergußmasse 16. Lokale Überhöhungen der Druckspannungen entlang des Substratrandes im Bereich der Befestigungslaschen 2 werden mit der Erfindung wirksam vermieden.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Modulausführung, bei der am Kunststoffgehäuse 1 eine gefaltete Lippe 17 angeformt ist, an deren Ende sich wie bei der ersten Modulausführung die Aufnahmerille 6 für das Keramiksubstrat 7 befindet. Im Vergleich zur flachen Lippe 5 der ersten Modulausführung beansprucht die gefaltete Lippe 17 weniger Platz, wodurch bei gleicher Gehäusegröße das Substrat 7 größer ausgeführt werden kann. Bei der gefalteten Lippe 17 wird ein Teil der Nachgiebigkeit durch seitliches Verkippen der durch die Faltung gegebenen dünnen vertikalen Wände 18 bewirkt.
  • Wie bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Modulausführung besonders für Module hoher Leistung geeignet.
  • Wenn solche Module eine große Substratfläche, z.B. gröber als 50 x 50mm2 aufweisen, kann es zweckmäßig sein, wenigstens eine am Kunststoffgehäuse 1 angeformte Abstützung 19 vorzusehen, die etwa in der Substratmitte oder besonders dort wo aktive Bauelemente angeordnet sind, auf das Keramiksubstrat 7 drückt und damit einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand gewährleistet. Diese Abstützung 19 kann zweckmäßig am Ende mit Stützlippen 20 versehen sein, wodurch eine vorteilhafte Elastizität der Abstützeinrichtung 19, 20 erreicht wird.
  • Zur einfacheren Gestaltung des Spritzwerkzeuges für das Kunststoffgehäuse 1 und zur leichteren Entnahme aus einer Form kann es zweckmäßig sein, das Gehäuse 1 in einen Deckel 4.1 und einen Gehäuserahmen 4.2 zu trennen, wobei der Deckel 4.1 nachträglich vor dem Umbiegen des Anschlusses 14 auf den Gehäuserahmen 4.2 aufgesetzt wird.
  • Die Trennung wischen Rahmen 4.2 und Deckel 4.1 ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 4.3 angedeutet.
  • Entsprechend kann in Figur 2 die Stütze 19 nur am Gehäuseunterteil angeformt sein.
  • -Leerseite-

Claims (9)

  1. Ansprüche Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse, an das Befestigungslaschen angeformt sind und in das als Bodenfläche ein mit Bauelementen bestücktes Keramiksubstrat eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daX das Keramiksubstrat (7) federnd im Kunststoffgehäuse (1) angeordnet ist.
  2. 2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat (7) in eine Aufnahmerille (b) eingesetzt ist, die über eine dünnwandige Lippe (5,17) mit einer Gehäusewand (4) verbunden ist.
  3. 3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache Lippe (5) vorgesehen ist.
  4. 4. Leistunghalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gefaltete Lippe (17) vorgesehen ist.
  5. 5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (1) mindestens eine Abstützung (19) aufweist, die auf das Keramiksubstrat (7) drückt.
  6. 6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (19) am Ende nachgiebige Stützlippen (20) aufweist, mit denen die Abstützung (19) auf das Keramiksubstrat (7) drückt.
  7. 7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach außen geführte elektrische Anschlußelemente (13) einen Dehnungsbogen (15) aufweisen.
  8. 8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul mit einer weichen elastischen Vergußmasse (16) ausgegossen ist.
  9. 9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aufgeteilt ist in einen Deckel (4.1) und einen Gehäuserahmen (4.2).
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