DE4446527A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Module sind geeignet zur Realisierung von Brücken oder Teilbrücken einer Stromrichterschaltung.

Module dieser Bauart, also mit Kunststoffgehäuse und einem Kup­ fer/Keramik-Substrat als Boden, haben einige erstrebenswerte Ei­ genschaften, wie beispielsweise ein vergleichsweise niedriges Gewicht und gute Wärmeleiteigenschaften zur Wärmeabfuhr von wär­ meerzeugenden Bauelementen im Inneren des Moduls durch das dünne Bodensubstrat hindurch zu einem Kühlkörper. Das Bodensubstrat ist jedoch bruchempfindlich und kann sich unter Umständen ver­ formen, wodurch die Wärmeableitung beeinträchtigt werden kann. Um solchen Problemen zu begegnen wurden bereits mehrere Vor­ schläge zur Modulgestaltung bekannt, die teilweise auch im Rah­ men der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Modulausführung Anwen­ dung finden können.

Ein Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 31 27 457 C2 bekannt. Bei diesem Modul ist ein als Kup­ fer-Keramik-Kupfer-Sandwich ausgeführtes Substrat als Bodenebene in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt. Durch einen solchen mehr­ schichtigen Aufbau des Substrats wird die Bruchgefahr gegenüber einem Keramikboden bereits erheblich vermindert. Das rahmenför­ mige Kunststoffgehäuse weist innere Verstrebungen auf. Das mehr­ schichtige Substrat ist nach einem Direktverbindungsverfahren zur Keramik-Kupferverbindung hergestellt und mit Halbleiterbau­ elementen bestückt. Das dem Modulinneren zugewandte Stück des Substrats ist zuerst mit einer als Weichverguß eingefüllten Si­ likonharzschicht versehen. Darüber ist ein Epoxydharz als Hart­ verguß zur Verkapselung eingefüllt. Die Höhe des Weichvergusses liegt deutlich unterhalb der Unterkante der inneren Verstrebun­ gen, damit sich der Hartverguß gleichmäßig in den durch die Ver­ strebungen gebildeten Kammern verteilen kann.

Bei einem Modul gemäß EP-B1-01 18 022 ist als weiterer Maßnahme zur Minderung der Bruchgefahr während der Montage des Moduls auf einem Kühlkörper vorgesehen, daß an das Kunststoffgehäuse ange­ formte Befestigungsflansche zwischen den Wandungen des Gehäu­ serahmens und den Befestigungslöchern der Laschen mit Schlitzen versehen sind. Dadurch wird wirksam vermieden, daß sich das me­ chanische Spannungsfeld im Bereich der Befestigungsschrauben auf das Substrat überträgt.

Es sind auch bereits mehrere Maßnahmen bekannt, mit denen einer konkaven Durchbiegung des Substrats, die den Wärmeübergang ver­ schlechtern würde, entgegengewirkt werden kann. In der EP-B1-02 05 746 ist als eine solche Maßnahme die Anordnung von Stützen auf dem Substrat oder auf Bauelementen zu entnehmen. Das Modulinnere ist dabei teilweise mit einer Weichvergußmasse und teilweise mit einer darüber gegossenen Hartvergußmasse gefüllt. Die Stützen ragen in die Hartvergußmasse hinein, so daß eine starre Verbindung zwischen dem dort haubenförmigen Kunststoffge­ häuse und ausgewählten Substratflächen gegeben ist und somit Kräfte übertragbar sind.

Aus der DE 40 01 554 A1 ist eine Gestaltung des Kunststoffgehäu­ ses mit angeformten Stützen bekannt, wobei die angeformten Stüt­ zen an mehreren Stellen direkt auf das Substrat drücken.

Aus der EP-B1-02 92 848 ist ein Modul bekannt, bei dem das Kunststoffgehäuse innere Verstrebungen aufweist, die aber nicht als Stütze für das Substrat dienen, sondern zur Führung von An­ schlußlaschen angeordnet sind.

Wie bereits erwähnt, werden Leistungshalbleitermodule im allge­ meinen auf Kühlkörper montiert, um Verlustleistungen abzuführen. Zur Verbesserung des thermischen Übergangs zwischen Modulboden und Kühlkörperoberfläche verwendet man vorzugsweise sogenannte Wärmeleitpasten. Das sind Gemische aus Metalloxiden und Silikon­ ölen oder Estern. Diese können sehr zähflüssig sein. Insbeson­ dere wenn die Paste zu dick und ungleichmäßig auf den Modulboden oder den Kühlkörper aufgetragen wird, kann der Fall eintreten, daß sich die Paste nicht sofort beim Anpressen des Moduls auf den Kühlkörper dünn verteilt; besonders wenn das Anpressen z. B. mit Hilfe elektrischer oder pneumatischer Schrauber sehr schnell erfolgt. In einem solchen Fall muß sich das Substrat zumindest vorübergehend nach innen biegen und es kann bei zu starker me­ chanischer Belastung brechen. Die Nachgiebigkeit des Substrats zum Innenraum hin ist vor allem durch die Art der Vergießtechnik bedingt. Bei der üblichen Vergießtechnik wird nach dem Einbrin­ gen und Vernetzen des Weichvergusses der Hartverguß eingebracht und bei relativ hohen Temperaturen oberhalb 100°C ausgehärtet. Während des Aushärteprozesses dehnt sich der Weichverguß stark aus. Die Volumendehnung von Silikonharzen liegt typisch bei etwa 10%, wenn die Temperaturerhöhung 100 K beträgt. Nach dem Aushär­ ten des Hartvergusses und dem Abkühlen schrumpft der Weichverguß auf sein ursprüngliches Volumen und hinterläßt einen merklichen Spalt zwischen Weich- und Hartverguß. Die Nachgiebigkeit des Substrats ist jedoch nicht nur durch diesen Spalt, sondern auch durch die Verwendung von weichen Silikongelen bedingt. Dadurch kann der unmittelbar über dem Substrat liegende weiche Verguß einer von außen auf das Substrat wirkenden Kraft keine ausrei­ chende Gegenkraft (Gegendruck) bieten.

Zur Lösung dieses Problems können Stützen der oben beschriebenen bekannten Art wenig beitragen, da sie nur auf engbegrenzte Sub­ stratflächen eine Gegenkraft erzeugen können. Im Fall ungleich­ mäßig verteilter Wärmeleitpaste können lokal unzulässige mecha­ nische Spannungen im Substrat auftreten. In das Gehäuse durch entsprechende Gehäusegestaltung integrierte Stützen haben außer­ dem den Nachteil, daß das Gehäuse auf das Substrat-Layout und die Bestückung abgestimmt sein muß, wodurch ein solches Gehäuse nicht universell einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalblei­ termodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, das besser als bekannte Module gegen eine bei der Modulmontage auf­ tretende Bruchgefahr geschützt ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Modul mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angege­ ben und der unten stehenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels anhand der Zeichnung zu entnehmen.

Der im ausgehärteten Zustand gummiartige Weichverguß mit darin eintauchenden Gehäuseverstrebungen bewirkt vorteilhaft einer­ seits eine hohe Festigkeit gegen ein Verwölben des Substrats zum Modulinnenraum hin und vermeidet andererseits eine lokal unter­ schiedliche Durchbiegung des Substrats. Außerdem ist die vorge­ schlagene Maßnahme kostengünstig zu realisieren unter Vermeidung zusätzlicher Komponenten, die während der Modulfertigung zu ju­ stieren wären.

Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend an­ hand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbei­ spielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines fertiggestellten Lei­ stungshalbleitermoduls,

Fig. 2 und 3 Schnitte durch das Modul,

Fig. 4 Draufsicht auf ein Modulgehäuse,

Fig. 5 bis 7 Schnitte durch das Modulgehäuse,

Fig. 8 Leistungshalbleitermodul mit einer Variante zur Verstrebungs-Ausführung.

Fig. 1 zeigt eine äußere Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls 1. Sein Kunststoffgehäuse 2 weist auf der Oberseite Öffnungen 5 zum Einfüllen von Vergußmassen auf, sowie Befestigungsflansche 16 mit runden oder schlitzförmigen Befestigungsöffnungen 4. An der Oberseite ragen elektrische Anschlüsse 3 aus dem Modul. In Fig. 1 sind außerdem Schnittebenen A-A′ und B-B′ eingetragen.

Weitere Einzelheiten zum Modulaufbau sind dem in Fig. 2 darge­ stellten Schnitt durch die Ebene A-A′ zu entnehmen. In das Ge­ häuse 2 ist in der Bodenebene ein Substrat 11 eingesetzt. Das Substrat 11 ist vorzugsweise ein mehrschichtiges Substrat, das nach einem Direktverbindungsverfahren (direct bonding) herge­ stellt ist durch Übereinanderschichten einer Kupferfolie, einer Keramikplatte und einer weiteren Kupferfolie. An das Substrat 11 kann aber auf der Unterseite auch zusätzlich zur Verstärkung eine z. B. 3 mm dicke Kupferplatte angelötet sein. Auf der dem Modulinneren zugewandten Seite trägt das Substrat 11 Aufbauten, wie Halbleiterbauelemente 12, Bonddrähte 15 und Anschlüsse 3. Die Bauelemente 12 sind durch einen Weichverguß 10 abgedeckt und darüber befindet sich ein Hartverguß 9. Während der Herstellung entsteht durch Schrumpfprozesse ein Spalt 8 zwischen den Verguß­ massen 9, 10.

Das Gehäuse 2 weist Verstrebungen 7 auf, von denen wenigstens ein Teil so ausgeführt ist, daß das untere Ende in den Weichver­ guß 10 ragt. Die in den Weichverguß eintauchenden Verstrebungen 7 befinden sich vorzugsweise im mittleren Bereich des Moduls 1, wo das Substrat 11 ohne Stützmaßnahmen am meisten nachgeben würde. Wesentlich ist auch, daß dadurch ein gleichmäßigerer in­ nerer Gegendruck erreicht wird. Die Verstrebungen 7 haben keine Berührung mit dem Substrat oder Aufbauten auf dem Substrat.

Soweit durch die Anzahl der Verstrebungen 7 oder deren Wand­ stärke keine ausreichende Gegenkraft erzielbar ist, können ab­ hängig von der Härte der Weichvergußmasse L-förmige Verbreite­ rungen 13 (Fig. 3) oder T-förmige Verbreiterungen 14 der Ver­ strebungen 7 an dem in den Weichverguß tauchenden Teil vorgese­ hen werden.

Aus den Fig. 2 und 8 ist außerdem ersichtlich, daß das Gehäuse 2 in einem an die Befestigungsflansche 16 angrenzenden Wandungsbe­ reich Schlitze 6 aufweisen kann.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Ebene B-B′, jedoch ohne Darstellung von Vergußmassen. In Fig. 3 sind anstelle der in Fig. 2 gezeigten ankerförmigen Verstrebungen 7, 14 L-förmige Verstrebungen 7, 13 gezeigt.

Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht auf das Gehäuse 2 nochmals die unterschiedlichen Ausführungen von Verstrebungen 7 mit Verbrei­ terungen 13, 14. Außerdem ist eine Schnittebene C-C′ eingetra­ gen.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine Verstrebung in der Ebene C-C′. Fig. 6 zeigt im Vergleich zur Fig. 5 eine Variante der an­ kerförmig ausgeführten Verstrebung, wobei die Unterseite der Verbreiterung 14 eine Rundung aufweist, wodurch sich beim Aus­ härten der Vergußmasse 10 ein Einschluß von Luftblasen vermeiden läßt. Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch eine Verstrebung in der in den Fig. 5 und 6 angegebenen Schnittebene D-D′.

Fig. 8 zeigt in einem Schnittbild und einer Draufsicht alterna­ tive Ausführungen von Verstrebungen. Dabei ist als eine erste Ausführungsform eine quer verlaufende Verstrebung 7.1 darge­ stellt, die vollständig innerhalb des Weichvergusses 10 liegt. Aus der Draufsicht ist ersichtlich, daß auch diese Verstrebung 7.1 Teil des Kunststoffgehäuses 2 ist. Aus Fig. 8 ist eine wei­ tere Gestaltungsmöglichkeit für Verstrebungen zu entnehmen, näm­ lich Verstrebungen 7.2 mit Führungsfunktion. Diese Verstrebungen 7.2 sind so angeordnet, daß sie Anschlüsse 3, insbesondere wäh­ rend der Modulherstellung führen können.

Ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul kann auf nach­ stehende Weise hergestellt werden. Ein beispielsweise 5 × 5 cm²-großes DCB(direct copper bond)-Substrat wird - wie aus den eingangs genannten Druckschriften bekannt - mit Halbleiter­ bauelementen (Chips) und Anschlüssen bestückt und in das Kunst­ stoffgehäuse eingeklebt. Anschließend wird Weichverguß einge­ füllt. Geeignet sind dafür Zweikomponenten-Harze, deren Festig­ keit durch Einstellen des Mischungsverhältnisses eingestellt werden kann. Beispielsweise kann das Produkt RTV 615 von General Electric eingesetzt werden im Verhältnis 1 : 1 seiner beiden Komponenten. Geeignet ist beispielsweise auch ein Silikongel, wie das Produkt Silgel 612 der Fa. Wacker, mit einem Mischungsverhältnis, mit dem eine ähnlich hohe Festigkeit wie beim vorgenannten Verguß erreicht wird. Dieser Weichverguß ist ein schon bei Raumtemperatur vernetzender Silikonkautschuk; der Vernetzungsprozeß verläuft bei höheren Temperaturen jedoch schneller. Die Vergußhöhe wird so gewählt, daß nur ein unterer Teil der Verstrebungen, der vorzugsweise Verbreiterungen auf­ weist, in den Verguß eintaucht, während der übrige Teil der in­ neren Gehäuseverstrebungen noch aus dem Verguß herausragt.

In einem weiteren Arbeitsgang wird Epoxidharz als Hartverguß eingebracht und bei etwa 130°C ausgehärtet. Bei dieser Tempera­ tur dehnt sich der Weichverguß (Silikonverguß) aus und hinter­ läßt nach dem Aushärten und Abkühlen einen Spalt von etwa 1 mm Breite zur Unterseite des Epoxidharzes.

Die Gestaltung der erfindungsgemäß anzuordnenden Verstrebungen mit gegebenenfalls Verbreiterungen, ist von mehreren Anforderun­ gen abhängig, wie z. B. von der Substratgröße, der Lage externer und interner Anschlüsse sowie spritztechnischer Anforderungen.

Die Erfindung ist auch vorteilhaft anwendbar bei Modulen, die nur eine Weichvergußmasse besitzen und bei denen auf eine Hart­ vergußmasse ganz verzichtet wird.

Das Leistungshalbleitermodul ist zur Montage auf einen Kühlkör­ per vorgesehen, wobei Wärmeleitpaste entweder auf den Modulboden oder den Kühlkörper aufgetragen wird. Dabei möglicherweise auf­ tretenden Druckkräften auf das Substrat wirken die im gummi­ artigen Weichverguß befindlichen Verstrebungsteile entgegen. Der vorerwähnte Spalt zwischen den beiden Vergußmassen wirkt sich dabei nicht aus, da die Abstützung vom Weichverguß aus erfolgt.

Bezugszeichenliste

1 Leistungshalbleitermodul
2 Kunststoffgehäuse
3 Anschluß
4 runde oder schlitzförmige Befestigungsöffnung
5 Gehäuseöffnung zum Einfüllen von Vergußmassen
6 Schlitz
7 Verstrebung
7.1 quer verlaufende Verstrebung
7.2 Verstrebung mit Führungsfunktion
8 Spalt
9 Hartverguß
10 Weichverguß
11 Substrat
12 Halbleiterbauelement
13 L-förmige Verbreiterung der Verstrebung
14 T-förmige Verbreiterung der Verstrebung
15 Bonddraht
16 Befestigungsflansch

Claims (7)

1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Kunststoffgehäuse (2) mit inneren Verstrebungen (7), in dessen Bodenebene ein Sub­ strat (11), insbesondere ein metallisches Substrat oder ein Me­ tall/Keramik-Mehrschichtsubstrat eingesetzt ist, das Substrat (11) auf der Modulinnenseite mit Bauelementen (12) und Anschlüs­ sen (3) bestückt ist, und wobei das Modul einen Weichverguß (10) und einen Hartverguß (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) für den Weichverguß (10) eine Weichvergußmasse gewählt ist, die nach dem Vulkanisieren eine gummiartige Konsistenz auf­ weist, mit einer Shore-Härte von 20 (Shore-Härte A), und
• b) die Verstrebungen (7, 7.1., 7.2) ganz oder teilweise im Weichverguß (10) angeordnet sind und keine direkte Berüh­ rung mit dem Substrat (11) oder darauf befindlichen Aufbau­ ten (3, 12, 15) haben.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verstrebungen (7) gegenüber der Ebene des Substrats (11) senkrecht verlaufend angeordnet sind und an ihrem dem Substrat (11) zugewandten Ende eine L-förmige Verbreiterung (13) oder eine T-förmige Verbreiterung (14) aufweisen.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf die Ebene des Substrats (11) bezogen hori­ zontal verlaufende, vollständig innerhalb des Weichvergusses liegende Verstrebungen (7.2) angeordnet sind.

4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebungen (7.2) im Gehäuse (2) in solcher Weise angeordnet sind, daß sie geeignet sind zur Führung von Anschlüssen (3).

5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in Wandungsbe­ reichen zwischen angeformten Befestigungsflanschen (16) und Ge­ häusewänden mit Schlitzen (6) versehen ist.

6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall/Keramik-Mehr­ schichtsubstrat (11) eingesetzt ist, das auf seiner Unterseite zusätzlich mit einer Bodenplatte aus Metall verbunden ist.

7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch abgewandelt, daß kein Hartverguß, sondern nur ein Weichverguß (10) vorhanden ist.