DE69318658T2 - Leistungs-Halbeiterbauelement - Google Patents

Leistungs-Halbeiterbauelement

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungs-Halbleiterbauelement, das für Leistungstransistoren, Thyristoren, Diodenmodule etc. entwickelt ist.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein konventioneller Aufbau eines Leistungs-Halbleiterbauelementes ist in Fig. 4 gezeigt. Bezugszeichen list ein Leistungsschaltkreis, der ein hitzeabstrahlendes, isoliertes Aluminiumsubstrat 1a aufweist, auf dem ein Leistungs-Halbleiterelement 1b befestigt ist; 2 ist ein Steuerschaltkreis, der eine gedruckte Leiterpiatte 2a aufweist, auf der Schaltkreiskomponenten 2b befestigt sind; 3 ist ein flexibles Substrat, das den Leistungskreis 1 und den Steuerkreis 2 verbindet; 4 ist ein Harzgehäuse, in welchem der Leistungskreis 1 und der Steuerkreis 2 aufgenommen sind; 5 ist der Deckel des Gehäuses; 6 bzw. 7 sind Versorgungsanschlüsse vom Rahmentyp bzw. Steueranschlüsse vom Schnellanschlußtyp, welche aus dem Gehäuse 4 durch Herausführungstaschen, die an seinem Umfang gebildet sind, herausgeführt sind; 8 ist ein Gießharz (Epoxyharz), mit welchem die Versorgungsanschl:isse 6 und die Steueranschlüsse 7 in dem Gehäuse 1 festgehalten sind; und 9 ist ein Gel aus isolierendem Harz (Silikongel), mit welchem das Gehäuse gefüllt ist.
  • Das Halbleiterbauelement, das den Aufbau der Fig. 4 hat, wird gemäß folgender Prozedur zusammengebaut. Als erstes werden das Leistungselement 1b und die Versorgungsanschlüsse 6 auf dem isolierten Aluminiumsubstrat 1a befestigt und verlötet Im folgenden werden sowohl das flexible Substrat 3 zur Herstellung der Verbindung mit dem Steuerkreis 2, als auch die Steueranschlüsse 7 auf dem isolierten Aluminiumsubstrat 1a befestigt und verlötet Im folgenden wird das Gehäuse 4 auf dem isolierten Aluminiumsubstrat 1a befestigt und dann das isolierende Harz 9 in das Gehäuse 4 durch die Öffriung in dessen Oberseite injiziert, gefolgt vom Füllen der Anschlußherausführungsbereiche mit dem Gießharz 8, welches dann ausgehärtet wird. Danach wird der Deckel 5 auf der Oberseite des Gehäuses 4 plaziert, Anschlußmuttem 10 werden in dem Gehäuse 4 befestigt und schließlich werden die herausgeführten Enden der Versorgungsanschlüsse 6 derart gebogen, daß sie oberhalb und in Ausrichtung mit den Muttern 10 plaziert sind.
  • Der konventionelle Aufbau, der oben beschrieben ist, hat die folgenden Probleme im Hinblick auf den Zusammenbauprozeß, die Qualität des Endprodukts und seine Kosten.
  • (1) Es ist bei dem Zusammenbauprozeß nötig, die Versorgungs- und Steueranschlüsse in vorbestimmten Lagen zu halten, wenn sie verlötet werden. Bei den darauffolgenden Schritten wird das Gießharz 8 und das isolierende Harz 9 in einzelnen Schritten in das Gehäuse 4 eingespritzt und ausgehärtet Außerdem müssen die Abschlußmuttern 10 eingesetzt und die Versorgungsanschlüsse 6 gebogen werden, wodurch die Gesamtanzahl der Schritte, die bei dem Zusammenbauprozeß nötig sind, erhöht wird, während dessen Effektivität verringert wird.
  • (2) Da die Versorgungsanschlüsse 6 und die Steueranschlüsse 7 in dem Gehäuse mit Hilfe von Gießharz 8 gehalten werden, werden die Herausführungspositionen der Anschlüsse aufgrund des Schrumpfungsprozesses, der durch die Harzaushärtung hervorgerufen wird, versetzt, wodurch die Positionsgenauigkeit der Anschlüsse fällt. Dementsprechend werden Fehler auftreten, wie z.B. Schwierigkeiten beim Biegen der Drähte der Versorgungsanschlüsse 6 (die Löcher in den Anschlüssen werden nicht mit den Positionen der Anschlußmuttern übereinstimmen) und z.B. dadurch, daß die Steueranschlüsse 7 vom Schnellanschlußtyp nicht korrekt in einer Reihe angeordnet sind, was zu Schwierigkeiten bei dem folgenden Handling (Verbinden der Drähte mit einem externen Schaltkreis) führt.
  • 3. Das flexible Substrat 3, das den Leistungskreis 1 und den Steuerkreis 2 miteinander verbindet, ist teuer und außerdem ist eine komplizierte Zusammenbautechnik beim Verbinden des flexiblen Substrats mit jedem der Schaltkreise nötig. Dementsprechend wird das Endprodukt zu teuer, um kommerziell eingesetzt zu werden.
  • Ein elektronisches Bauelement, das einen Leistungs- und einen Steuerschaltkreis aufweist, das durch Spritzeingießen eines Verbindungsdrahts, der durch Drahtbonden mit den Schaltkreisen verbunden ist, aufgebaut ist, ist in EP-A-0516149 beschrieben, das nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Erfindung veröffentiicht worden ist.
  • EP-A-0098028 offenbart ein Gießharzgehäuse mit Drähten, die an dem Umfang des Gehäuses eingesetzt sind, und mit einer Metallplatte, die an der Unterseite des Gehäuses befestigt ist.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen gemacht und hat als Ziel, ein Leistungs-Halbleiterbauelement anzugeben, das mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann und hohe Zuverlässigkeit garantiert.
  • Dieses Ziel kann mit einem Leistungs-Halbleiterbauelement erreicht werden, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 hat.
  • Weiterhin kann der Anschlußblock von dem Gehäusekörper unabhängig sein und derart eingesetzt sein, daß er nach oben und unten bewegt werden kann.
  • Zusätzlich kann ein DBC-Substrat (Direktverbindungskupfersubstrat - direct bonding copper substrate) oder ein isoliertes Aluminiumsubstrat als Substrat für den Leistungsschaltkreis eingesetzt werden.
  • Zur Herstellung des Leistungs-Halbleiterelementes der vorliegenden Erfindung werden Komponenten wie die Versorgungsanschlüsse, die Steueranschlüsse und die Verdrahtungsanschlüsse zusammen mit dem Harzgehäuse so, wie sie in eine Form eingesetzt sind, in einem anderen Gießschritt als den zum Zusammenbau des Produkts eingegossen. Vor dem Gehäusegießschritt werden die Versorgungsanschlüsse unabhängig von anderen Komponenten gebogen und die Anschlußmuttern werden zusätzlich zu den Versorgungsanschlüssen durch eine Einsetztechnik gleichzeitig eingegossen. Dementsprechend ist alles was beim Zusammenbauschritt des Halbleiterelementes zur Vervollständigung des Zusammenbaus der Hauptkomponente nötig ist, das Einbringen der ständigung des Zusammenbaus der Hauptkomponente nötig ist, das Einbringen der Leistungs- und Steuerkreise in das Gehäuse und die Verbindung zwischen den Versorgungsanschlüssen, den Steueranschlüssen und den Verdrahtungsanschlüssen durch Löten. Ein besonderer Vorteil ist es, daß keine Notwenigkeit besteht, die Leistungs- bzw. Steueranschlüsse in einer Lage zu halten, während sie mit den Leistungs- bzw. Steuerkreisen verlötet werden. Außerdem werden sowohl die Schritte des Einspritzens und Aushärtens des Harzes zur Fixierung der Versorgungs- und Steueranschlüsse in dem Gehäuse, als auch der komplizierte Vorgang zur Verbindung des flexiblen Substrats mit jedem der Leistungs- und Steuerkreise unnötig. Außerdem ist die Positionsgenauigkeit der herausgeführten Versorgungs- und Steueranschlüsse gesichert.
  • Wenn es gewünscht wird, kann der Anschlußblock, in dessen Oberfiäche die Anschlußdrähte eingebettet sind, von dem Gehäusekörper getrennt vorgesehen sein und in einer solchen Weise befestigt sein, daß er nach oben und unten beweglich ist. Wenn der Leistungskreis in das Gehäuse eingesetzt wird und die entfernten Enden der Drahtkontakte das Substrat für den Leistungskreis berühren, bietet dieser Aufbau den Vorteil, daß der Anschlußblock nach oben ausweicht und das Substrat nicht mehr einer großen Spannung ausgesetzt wird; im Ergebnis können Keramiksubstrate, wie ein DBC- Substrat, effektiv als Substrat für den Leistungsschaltkreis eingesetzt werden, ohne daß ernste Schwierigkeiten, wie z.B. Brechen, auftreten.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Leistungs-Halbleiterbauelementes entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ist eine Draufsicht der Fig. 1, wobei der Deckel des Gehäuses entfernt ist;
  • Fig. 3 ist eine Draufsicht, die zeigt, wie der Anschlußblock, der in Fig. 1 gezeigt ist, montiert ist; und
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Leistungs-Halbleiterbauelementes des Standes der Technik zeigt.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug zu den Fig. 1 bis 3 beschrieben, in welchen die gleichen Elemente, die in Fig. 4 gezeigt sind, mit denselben Ziffern bezeichnet sind.
  • In jeder der Fig. 1 bis 3 ist das Harzgehäuse, das mit 4 bezeichnet ist, mit einer hitzeabstrahlenden Metallbasis 11 auf der Unterseite kombiniert um eine Bauelementgruppe zu bilden. Das Substrat 1a, das Teil des Leistungskreises 1 ist, liegt in der Form eines DBC- (Direktverbindungskupfer - direct bonding copper) oder eines isolierten Aluminiumsubstrats, das von der Metallbasis 11 getragen wird, vor. Versorgungsanschlüsse 6 und Steueranschlüsse 7 werden so, wie sie am dem Umfang des Gehäuses angeordnet sind, mit einer Einsetztechnik zusammen mit dem Gehäuse 4 eingegossen; dabei wird ein strahlenförmiger Anschlußblock 12 mit einem rippenartigen Muster in mittlere Lage in dem Gehäuse vorgesehen und Anschlußdrähte 13, die die interne Verdrahtung zwischen dem Leistungskreis 1 und dem Steuerkreis 2 bereitstellen, werden so, wie sie an der Oberfläche des Anschlußblocks verteilt sind, in vorbestimmten Positionen eingebettet.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Anschlußblock 12 von dem Körper des Gehäuses getrennt und der Anschlußblock 12 wird, wie es in Fig. 3 gezeigt wird, in vertikaler Richtung beweglich gehalten, da Befestigungsbeine 12a, die Teil des Anschlußblocks sind, locker mit den Befestigungssitzen 4a zusammenpassen, die von der inneren Oberfläche des Gehäusekörpers hervorstehen. In diesem Fall sind die geometrischen Faktoren, wie die Form des Anschlußblocks 12 und die Position der Befestigungsbeine 12a, in Übereinstimmung mit den Verdrahtungsanschlüssen 13 angeordnet. Obwohl nicht gezeigt, ist es eine andere Möglichkeit, daß der Anschlußblock 12 im vorhinein als integraler Teil des Gehäuses 4 gegossen wird.
  • Das Substrat 2a für den Steuerkreis (gedruckte Leiterplatte) wird oberhalb des Anschlußblocks 12 in einer Weise befestigt, daß der Kontrollkreis 2 im oberen Teil des Gehäuses 4 angeordnet ist, während der Leistungskreis 1 im unteren Teil ist. In diesem halbzusammengebauten Zustand wird der Leistungskreis 1 an die Versorgungsanschlüsse 6, der Steuerkreis 2 an die Steueranschlüsse 7 und der Leistungskreis 1 über die Verdrahtungsanschlüsse 13 mit dem Steuerkreis 2 verlötet.
  • Sowohl der Prozeß für die Herstellung des Harzgehäuses, als auch die Prozedur zum Zusammenbauen des Halbleiterelementes werden unten beschrieben. Zu Anfang beginnt der Prozeß zur Herstellung des Harzgehäuses 4 mit dem Einsetzen der notwendigen Komponenten, wie der im vorhinein in eine vorbestimmte Form gebogenen Versorgungsanschlüsse 6, der Steueranschlüsse 7, der Verdrahtungsanschlüsse 13 und der Muttern 10 für die Versorgungsanschlüsse, in eine Form, so daß sie in vorbestimmten Positionen angeordnet sind. Mit den so gehaltenen komponenten wird das Gießharz in die Form gegossen, um das Gehäuse 4 zu bilden. Bei einem Aufbau, bei welchem der Anschlußblock 12 getrennt von dem Körper des Gehäuses 4 gemacht wird, wird der Block in einem anderen Schritt als dem des Gießens des Gehäuses gegossen. Auf diese Weise wird ein Gehäuse integral mit den Versorgungs- und Steueranschlüssen und den Verdrahtungsanschlüssen zusammengestellt.
  • Die Prozedur des Zusammenbaus des Halbleiterbauelementes beginnt mit dem Befestigen des Substrats 1 a für den Leistungskreis 1 auf der Metallbasis 11 durch Löten. Dann wird das Gehäuse 4 über die Metallbasis 11 eingepaßt und damit verbunden. Mit den notwendigen Komponenten in diesem Zustand gehalten, wird der Leistungskreis 1 nicht nur mit den Versorgungsanschlüssen 6, sondern auch mit den Verdrahtungsanschlüssen 13, die in der Oberfläche des Anschlußblocks 12 eingebettet sind, verlötet Daraufhin wird der Steuerkreis 2 von oben in das Gehäuse 4 in einer solchen Weise eingesetzt, daß das Substrat 2a auf dem Anschlußblock 12 angeordnet ist. In diesem halbzusammengesetzten Zustand wird der Steuerkreis 2 nicht nur mit den Steueranschlüssen 7, sondern auch mit den Verdrahtungsschlüssen 13 verlötet. Dann wird das isolierende Harz (Silikongel) 9 in das Gehäuse 4 eingespritzt und ausgehärtet Schließlich wird das Gehäuse 4 mit dem Deckel 5 verschlossen, um das fertige Produkt zu erhalten.
  • Durch die auf den vorherigen Seiten beschriebenen Zusammenbauprozedur zusammengestellt, bietet das Halbleiterelement der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile;
  • da die Komponenten wie Versorgungsanschlüsse, Steueranschlüsse und Verdrahtungsanschlüsse, die die Verbindung zwischen einem Leistungs- und einem Steuerkreis bilden, im vorhinein durch eine Einsetztechnik zusammen mit dem Gehäuse gegossen werden, ist es bei dem Zusammenbauprozeß des Halbleiterelementes nicht mehr notwendig, komplizierte oder zusätzliche Schritte durchzuführen, die bisher bei den Strukturen des Standes der Technik wesentiich waren, so wie das Einhalten der Lagen der Versorgungs- und Steueranschlüsse während des Lötprozesses, das Vorsehen eines flexiblen Substrats zur Bildung der Verbindung zwischen den Leistungs- und Steuerkreisen, das Verbinden des Substrats mit beiden Schaltkreisen (was sehr schwierig zu erreichen ist) und Einspritzen und Aushärten des Harzes zur Sicherung der Anschlußherausführungsbereiche des Gehäuses; im Ergebnis ist es nicht nur möglich, die Anzahl der Schritte, die bei dem Zusammenbauprozeß auftreten, zu reduzieren und die Effektivität zu verbessern, sondern auch die Herstellungskosten des Leistungs-Halbleiterbauelementes als Endprodukt drastisch zu reduzieren.
  • Da die externen Herausführungsanschlüsse, wie die Leistungs und Steueranschlüsse, mit einer Einführungstechnik zusammen mit dem Gehäuse gegossen werden, ist eine hohe Positionsgenauigkeit im Hinblick auf die Positionen, an welchen die entsprechenden Anschlüsse aus dem Gehäuse herausgeführt sind, gesichert.
  • Im speziellen bei einem Gehäuse, bei welchem die Anschlußdrähte mit einem Anschlußblock vorgesehen sind, der in einer mittleren Lage in dem Gehäuse vorgesehen und getrennt von dem Gehäusekörper ist und in einer solchen Weise eingesetzt ist, daß er nach oben und nach unten beweglich ist, ist die Eindrückbelastung der Verdrahtungsanschlüsse, die auf das Substrat für den Leistungskreis, wenn z.B. ein DBC- Substrat als Leistungsschaltkreis in dem Gehäuse aufgenommen ist, ausgeübt wird, ausreichend relaxiert, um Sicherheit bei der Vermeidung des Auftretens von ernsten Problemen, wie dem Brechen des keramischen Substrats, zu garantieren.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Vorteile stellt die vorliegende Erfindung ein Leistungs-Halbleiterbauelement hoher Qualität und Verläßlichkeit zu geringen Kosten zur Verfügung.

Claims (3)

1.Ein Leistungs-Halbleiterbauelement, das einen Leistungsschaltkreis (1) und einen Steuerschaltkreis (2), die in einem gegossenen Harzgehäuse (4) aufgenommen sind, Versorgungs- (6) bzw. Steueranschlüsse (7), die mit dem Leistungs- bzw. dem Steuerschaltkreis verbunden sind und aus dem Gehäuse herausgeführt sind, umfaßt, wobei der Leistungs- und der Steuerschaltkreis auf verschiedenen Substraten (1a, 2a) montiert und miteinander verbunden sind und das Innere des Gehäuses (4) mit einem isolierenden Harz (9) gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Versorgungsanschlüsse (6), die Steueranschlüsse (7) und die internen Verdrahtungsanschlüsse (13) zur Verbindung des Leistungs- und des Steuerschaltkreises zusammen in dem Gehäuse (4) eingesetzt sind;
die Versorgungs-(6) und Steuer-(7)-Anschlüsse am Umfang des Gehäuses (4) angeordnet sind;
die Verdrahtungsanschlüsse (13) in mittlerer Lage in dem Gehäuse (4) als strahlenförmiger Anschlußblock (12) verteilt vorgesehen sind;
das Substrat (1a) für den Leistungsschaltkreis (1) auf einer hitzeabstrahlenden Metallbasis (11) befestigt ist, wobei die Unterseite des Gehäuses mit der Metallbasis verbunden ist;
das Substrat (2a) für den Steuerschaltkreis (2) auf dem Anschlußblock (12) befestigt ist;
die Versorgungsanschlüsse (6) bzw. die Steueranschlüsse (7) mit dem Leistungsschaltkreis (1) bzw. dem Steuerschaltkreis (2) verlötet sind; und
die Verdrahtungsanschlüsse (13) des Anschlußblocks (12) zur Bereitstellung der internen Verbindung mit dem Steuerschaltkreis (2) und dem Leistungsschaltkreis (1) verlötet sind.
2. Ein Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 &sub1;worin der Anschlußblock (12) getrennt von dem Körper des Gehäuses (4) und in einer solchen Weise aufgenommen ist, daß er nach oben und unten beweglich ist.
3. Ein Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei ein DBC-Substrat oder ein isoliertes Aluminiumsubstrat als Substrat (1 a) für den Leistungsschaltkreis (1) benutzt wird.
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