DE19646396C2 - Leistungshalbleitermodul für verschiedene Schaltungsvarianten - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul der Leistungselektronik, insbesondere Stromumrichter, das für einen sog. multivariablen Aufbau kostengünstig aufgebaut ist. Leistungshalbleitermodule sind mehrfach aus der Literatur bekannt. Im Fortschreiten der Technik und dem Finden neuartiger Lösungen nehmen zwei Aspekte bei der Gestaltung von Leistungshalbleitermodulen die gesamten Forschungsinhalte in dieser Branche in Anspruch. Zum einen müssen die Verfahrensschritte immer rationeller ausführbar sein, das bedeutet, daß sie einen immer weiter gehenden Automatisierungsgrad besitzen sollten. Der Einsatz entsprechend preisgünstiger und qualitätsgerechter Materialien mit den Additiven einer guten automatischen Verarbeitbarkeit ist dabei Voraussetzung.

Zum anderen werden immer weitergehende Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Einsatzbreite bei einem minimierten Platz- und Volumenbedarf gestellt. Die Vielfalt der Schaltungsvarianten steht der Automatisierung dabei ungünstig und konträr entgegen, weshalb nach multivariablen Gestaltungen gesucht werden muß, um mit einem minimierten Teileartenspektrum ein Maximum an Aufbauvarianten in bester Qualität realisieren zu können.

In der DE-OS 15 64 867 und der DE-PS 40 39 037 werden beispielhaft Verfahren zur Herstellung von elektronischen Bauelementen der Leistungsklasse vorgestellt. Diese Verfahren sind gleichermaßen auch zum Aufbau von kompletten Leistungshalbleitermodulen geeignet.

Dem Stand der Technik sind bezüglich der Qualität hervorragende Module zuzuordnen. Die Isoliertechnik mittels beidseitig mit Kupfer belegter Aluminiumoxidplättchen (DCB-Keramik) hat bei heutiger Chiptechnologie und einem niederinduktivem Aufbau einen nennenswert guten Stand erreicht, da die elektrische Isolationsfähigkeit, die gute Bruchsicherheit und sehr gute Wärmeleitfähigkeit sehr geschätzte Eigenschaften für diesen Einsatzzweck darstellen.

Allen bisher genannten Modulen nach dem Stand der Technik sind die fehlende Flexibilität ihres Einsatzes als nur kundenspezifische Module mit überwiegend geringem Produktionsvolumen eigen. Die Einzelfertigung der geringen Stückzahlen pro Typ ist aufwendig und kostenungünstig. Rationelle Verfahren zu deren Herstellung scheitern an der geringen Auslastung der zur Automatisierung erforderlichen Ausrüstungen.

In der EP 0 750 345 A2 wird ein flexibel zu beschaltendes Leistungshalbleitermodul vorgestellt. Hierin werden auf einer einzigen Grundplatte verschiedene Schaltungsvarianten derart erzielt, daß auf der Grundplatte eine Mehrzahl von Leiterbahnen nur als Leiterbahnteilstücke vorhanden sind und diese für die verschieden Schaltungsvarianten mittels Bondverbindungen unterschiedlich verbunden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungsmodul so auszubilden, daß es bei der Mög­ lichkeit, verschiedenste Schaltungsvarianten zu realisieren aus Standard-Bauteilen (insb. identischen Isolierke­ ramiken einfach und induktionsarm aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen genannt.

Die Erfindung umfaßt bei der Vielfalt an Leistungshalbleitermodulen etwa in Form von Umrichtern (für ein- und dreiphasigen Stromeingang), für Gleichstromsteller, für Einzelschalter (teilweise mit unterschiedlichen Freilaufdioden- Verschaltungen), für Halbbrücken, für ein- und dreiphasige Vollbrücken (teilweise auch mit Bremsstellern) und für asymmetrische Halbbrücken verschiedenste Einzelaktivitäten im Herstellungsprozeß.

Die modulinterne Verschaltung der Leistungsschalter (überwiegend haben sich IGBT- und MOSFET-Chips durchgesetzt) untereinander und mit den erforderlichen Freilaufdioden-Chips kann flexibilisiert werden, was durch verschiedene Programme der automatisch arbeitenden Bondeinrichtungen ermöglicht werden kann, wobei bei gleicher prinzipieller Lage der Chips sowohl kleine als auch größere Geometrien der Chips Einsatz finden können. Die Ummantelung der internen Schaltungselemente durch das Gehäuse ermöglicht variierbare Optionen für die äußere Verschaltung der elektrischen Anschlüsse. Alle technologischen Einzelschritte der Modulmontage sind mit der Erfindung neu definiert und verändert.

Die dem Stand der Technik zuordenbare Aufbauweise von Modulen beinhaltet die Prämisse, daß bei großen Leistungen großflächige Chips als Leistungsschalter Einsatz finden, dieser Lösungsweg wird zu Gunsten einer optimierten Verteilung der die Verlustleistung erzeugenden Leistungsschalter zur Verbesserung des Wärmeabflusses verlassen. Kleinere Chips in einer größeren Menge positioniert erlauben eine wesentlich bessere Temperaturverteilung auf den DCB-Keramiken und folglich eine größere Kühlleistung der Kühlfläche.

Dadurch ist es möglich, auf gleicher Fläche eine größere Packungsdichte für Leistungschalter vorzusehen. Das zwingt wiederum dazu, die verfügbaren Flächen für den thermischen Kontakt der Halbleiterschalter relativ zu der gesamt zur Verfügung stehenden mit Kupfer belegten Fläche der Isolierkeramik zu vergrößern. So war es notwendig, die dem Stand der Technik zuzuordnende Kontaktierung der Hauptstromanschlüsse im Grundsatz zu verändern. Durch stumpfes Löten jedes einzelnen Hauptstromleiters wird dieses Erfordernis realisiert.

Die automatisierungsfreundliche Ausgestaltung des Modulaufbaus setzte erfindungsgemäß eine nach Möglichkeit einheitliche geometrische Gestaltung der Leiterzugverteilung der Kupferschicht auf der Bestückseite der Isolierkeramik als Ziel. Mit nur einer einzigen Form der Gestaltung der eingesetzten Isolierkeramiken für alle Module mit den oben genannten Einsatzzwecken wurde dieses Problem und ein induktivitätsarmer Innenaufbau gelöst. Gleiche Erfordernisse ergaben sich bei der geometrischen Formgebung der Hauptstromanschlüsse. Mit nur einer Form können durch stumpfes Löten auf der Kupferschicht der DCB-Keramik 24 verschiedene Positionen auf den Kupferflächen der Isolierkeramiken elektrisch kontaktiert werden.

Die Neugestaltung des Gehäuses erlaubt in der Fertigung den Einsatz eines einzigen Zeichnungsteiles für alle möglichen und erforderlichen Schaltungsvarianten. Eine dazu passende Neugestaltung nur eines einzigen Moduldeckels führt schließlich auch hier zu einer Vereinheitlichung der äußeren Bauform durch ein Zeichnungsteil mit universalem und multivariablem Einsatzgebiet.

Nachfolgend wird beispielhaft die Erfindung erläutert:

Fig. 1 skizziert eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodules.

Fig. 2 stellt die Draufsicht auf einen Moduldeckel dar.

Fig. 3 zeigt einen gelöteten "Torso" in Draufsicht (eine Schaltungsvariante).

Fig. 1 skizziert eine Ansicht eines erfinderischen Leistungshalbleitermodules. Auf einer ebenen Grundplatte (21), vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium geformt, sind in den vier Ecken Rundöffnungen eingearbeitet, um die Befestigung des Gehäuses mittels Hohlnieten (29) realisieren zu können. Auf diese Grundplatte (21) werden die Isolierkeramiken (22) aufgelötet, auf denen die Leistungshalbleiterschalter, Freilaufdioden, sonstige erforderlichen Bauelemente und Stromanschlüsse in einem Zug aufgelötet werden.

Der geschnittene Bezirk zeigt der Fig. 1 zeigt die Lage einer der Stumpflötstellen (23) der Hauptstromanschlußlasche (24). Angedeutet ist die Füllung mit einem isolierenden Silikonverguß (25), der in das Gehäuse (26) nach dessen Verkleben mit der Grundplatte (21) eingefüllt wurde. Das Gehäuse wird durch einen Deckel (27), wie er in Fig. 2 näher erläutert wird, überdeckt. In der Position (28) ist eine vorgeprägte Sechskantvertiefung mit zylindrischem Blindloch zu erkennen, diese Ausbildungen sind für die Aufnahme einer Befestigungsmutter zur Verschraubung der elektrischen Hauptstromleiter mit den elektrischen Anschlußleitungen vorgesehen.

Über eine einheitlich gestaltete Hilfsstromanschlußlasche (30) werden alle erforderlichen modulinternen Steuersignale der Leistungsschalter induktivitätsarm für eine direkte oder indirekte Kontaktierung mit der Ansteuereinheit bereitgestellt. Hier kann sehr vorteilhaft mittels einer flexiblen Leiterplatte eine stabile Kontaktierung gesichert werden.

Fig. 2 stellt die Draufsicht auf einen Moduldeckel (27) dar. Die Positionen (1) bis (6) sind in dem Gehäusematerial fest und erhaben eingeprägt, um eine verwechselungsfreie Zuordnung der realisierten Hauptstromanschlußlaschen (24) für eine Sekundärverbindung an den Zwischenkreis oder die Stromversorgung bzw. an die Last vornehmen zu können. In den sechs Feldern (1) bis (6) können zwölf verschieden positionierte Anschlußlaschen (24) durch Deckelöffnungen (20) geführt und fixiert werden.

Nach dem montageseitigen Durchführen der Anschlußlaschen (24) durch die Deckelöffnungen (20) werden diese auf 90° so abgewinkelt, daß sie flächig parallel zu der Oberfläche des Deckels (27) in dem jeweilig erforderlichen Feld (1) bis (6) liegen. Dabei ist vor dem Abwinkeln jeweils eine Mutter in die Sechskantvertiefung (28) deponiert worden, in deren Feld (1) bis (6) eine Anschlußlaschenbelegung nach der Aufbauvorschrift des konkreten Modules vorhanden ist. Durch diese Konstruktion des Deckels (27) können beispielhaft multivariabel von den 24 auf den DCB-Keramiken (22) möglichen Positionen sechs Anschlußlaschen (24) schaltungsgerecht vorgesehen werden. Erfinderisch ist so eine Mehrfachkontaktierung bei hoher Strombelastung, wie auch der Anschluß verschiedener Stromkreise einfach realisierbar.

In den Positionen (7) bis (18) sind in den Deckel Durchführungen für die Aufnahme alle erforderlichen Hilfanschlußlaschen (30) vorgesehen. Die Numerierung ist in gleicher Weise erhaben aus dem Deckelmaterial bei dessen Herstellung mitgeprägt, um eine dauerhafte eindeutige Kennzeichnung sicherzustellen. Dabei kann es sich bei der Belegung in den einzelnen konkreten Modulkonfigurationen um Gate-Anschlüsse bei einem Einsatz von MOSFET als Leistungsschalter oder als Basis-Anschlüsse bei dem Einsatz von IGBT in gleicher Funktion oder aber auch um Hilfsemitter bzw. Hilfssource-Anschlüsse für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter handeln.

Fig. 3 zeigt einen gelöteten "Torso" in Draufsicht in einer Schaltungsvariante. Beispielhaft wird aus diesem Torso ein Modul mit vier DCB-Keramiken (22) aufgebaut. Durch Bonden (34) werden diese vier Keramiken (22) schaltungsgerecht untereinander verbunden. Jede Keramik (22) verfügt über identisch strukturierte Kupferflächen. Diese Kupferflächen sind untereinander elektrisch isoliert, um verschiedene elektrische Funktionen übernehmen zu können.

Die Fläche (35) ist für das Auflöten der Leistungsschalter (31) mit den im Kommutierungskreis der Schaltungsanordnung erforderlichen eng benachbarten Freilaufdioden (32) ausgebildet, wodurch sich gleichzeitig eine sehr gute thermische Kopplung untereinander und dadurch bedingt gleichartiges elektrisches Verhalten ergibt.

Weiterhin verfügt diese Fläche (35) über Lötinseln (33) für das wahlweise stoffschlüssige Aufbringen der Anschlußlaschen (24), die hier nicht gezeichnet sind. Eine andere Kupferfläche (36) bietet die Möglichkeit, durch Bonden interne Verbindungen zwischen den Leistungsschaltern (31) untereinander, mit Freilaufdioden (32), mit anderen Bauelementen oder Kupferbondflächen herzustellen. Auf dieser Fläche (36) sind gleichfalls Lötinseln für Anschlußlaschen (24) für Hauptsromanschlüsse und auch Lötstellen für Hilfsanschlüsse (37) vorgesehen.

Eine dritte, zentral auf der DCB-Keramik (22) positionierte und von den vorgenannten zwei Kupferflächen (35, 36) elektrisch isolierte Kupferfläche ist für das Aufbringen von Dioden oder Widerständen (38), auch Thermistoren oder anderer SMD-Bauelemente, je nach konkretem Schaltungsbedarf und entsprechenden Lötinseln (37) vorgesehen. Ein automatisches Bestücken und rationelles Löten und Bonden wird durch diese erfinderische Konfiguration ermöglicht.

Die dem Stand der Technik entsprechende Verfahrenschritte des Gehäuseklebens und des Vergießens mit einem Silikonkautschuk sind zur Herstellung der Funktionsfähigkeit weiterhin erforderlich. Der dem Stand der Technik entsprechende Hartverguß aus Epoxidharzen ist hingegen nicht mehr erforderlich, denn die erfinderische Konstruktion sorgt für ein stabiles Fixieren aller Aufbauteile bei mechanischer und thermischer Belastung sowie ein Hermetisieren gegenüber den Umwelteinflüssen.

Claims (9)

1. Leistungshalbleitermodul hoher Packungsdichte für verschiedene Schaltungsvarianten bestehend aus Grundplatte (21), mindestens zwei identischen elektrisch isolierenden Substraten (22) mit zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen (24, 31, 32) und einem Gehäuse (26) mit einem Deckel (27),
wobei diese Substrate (22) schaltungsgerecht untereinander verbunden sind,
sowie Lötinseln (33) an verschiedenen Positionen der jeweiligen Substrate (22) für das schaltungsgerechte stoffschlüssige Anbringen von mindestens einer Leistungsanschlußlasche, (24),
sowie einem in sich symmetrischen Deckel (27) der ein mehrfaches an Durchführungen (20) für alle möglichen Positionen der Leistungsanschlußlaschen (24) aufweist.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schaltungsvarianten Module für verschiedene Einsatzzwecke, wie Umrichter, Gleichstromsteller, Einzelschalter, Halbbrücken oder Vollbrücken, beinhalten.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (21) aus Kupfer oder Aluminium geformt ist und so an der Oberfläche beschaffen ist, daß sie auf der einen Seite lötfähig für eine stoffschlüssige Verbindung mit einem Vielfachen der Isolierkeramik (22) ist und die parallele Oberfläche oder beide Seiten für einen stoffbündigen Kontakt mit den anderen Aufbauteilen, wie Kühlkörper und Isolierkeramik geeignet ist.

4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (22) aus Aluminiumoxid mit einer beidseitigen Kupferbeschichtung bestehen, wovon die eine Seite, die Aufbauseite, in der Kupferfläche so strukturiert ist, daß in der flächigen Geometrie mindestens drei unterschiedliche und untereinander elektrisch isolierte Teilflächen ausgebildet sind.

5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromanschlußlasche (24) aus Kupfer gebildet ist, mehrfach bei dem Aufbau eines Modules stirnseitig mit der oder den Isolierkeramiken (22) stoffschlüssig verbunden ist und Ausbildungen besitzt, die für den Ausgleich der thermischen Geometrieveränderungen geeignet sind.

6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (27) zusätzlich zu den Durchführungen (20) für Hauptstromanschlußlaschen (24) Durchführungen (7 bis 18) für Hilfstromanschlußlaschen (30) besitzt, wobei alle Durchführungspositionen durchgehend numeriert sind.

7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungshalbleiterbauelemente (31) Transistoren der Leistungsklasse in der Form von IGBT oder MOSFET verwendet werden.

8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungshalbleiterbauelemente (32) zusätzlich Freilaufdioden eingesetzt werden, die geometrisch eng benachbart zu den kommutierenden Leistungsschaltern (31) auf der jeweiligen Isolierkeramik (22) in schaltungsgerechter Position gelötet sind.

9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Vergußmasse (25) aus Silikonkautschuk zur gegenseitigen Isolation der internen Modulaufbauten verwendet ist, die gleichzeitig die Hermetisierung und dauerhaften Schutz gegen Feuchtigkeit und andere Umweltbelastungen gewährleistet.