DE19752408B4 - Leistungsmodul mit einem oder mehreren Halbleiter-Leistungsbauelementen - Google Patents
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Abstract
– eine metallische Basis (3),
– einen Schaltungsblock (6) mit einem isolierenden Substrat auf der metallischen Basis (3) und einer elektrischen Schaltung mit einem oder mehreren auf dem Substrat montierten Halbleiter-Leistungsbauelementen (Tr1, Tr2),
– ein Harzgehäuse (1), welches den Schaltungsblock (6) umgibt und mit der metallischen Basis (3) verbunden ist,
– einen Gehäusedeckel (2),
– Hauptanschlüsse (4), von denen jeder eine aus einem Leiterrahmen gebildete erste Anschlussleitung (4a) zur Verbindung des jeweiligen Hauptanschlusses mit der elektrischen Schaltung aufweist,
– Hilfsanschlüsse, die zusammen in einem Randabschnitt des Harzgehäuses (1) angeordnet sind und von denen jeder eine aus einem Leiterrahmen gebildete zweite Anschlussleitung (5a) aufweist, welche einen mit dem Substrat des Schaltungsblocks (6) verlöteten Endabschnitt (5b) besitzt, zur Verbindung des jeweiligen Hilfsanschlusses mit der elektrischen Schaltung,
– die ersten und die zweiten Anschlussleitungen (4a, 5a) in das Harzgehäuse (1) eingesetzt und in dieses...
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem oder mehreren Halbleiter-Leistungsbauelementen, etwa IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) als Schaltelementen. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf den Anschlußverdrahtungsaufbau solch eines Leistungsmoduls.
- Ein in der
JP 07-321285 A - Bei einem anderen bekannten Leistungsmodul mit einem durch Einsatzformen einstückig mit eingelegten Herausführungsanschlüssen ausgebildeten Harzgehäuse sind Hilfsanschlüsse zusammen in einem Randbereich des Harzgehäuses angeordnet. Die Anschlußleitungen der Hilfsanschlüsse sind in der Wand des Harzgehäuses eingebettet und erstrecken sich in die Nähe der Verlötungsstellen mit dem Schaltungsblock, so daß sie nicht Verdrahtungswege von Verbindungsdrähten des Schaltungsblocks innerhalb des Harzgehäuses kreuzen und die Anschlußleitungen und die Verbindungsdrähte sich nicht gegenseitig beeinflussen. Innenleiter erstrecken sich von den Anschlußleitungen nach innen zu den Lötstellen, und die Endabschnitte der Innenleiter sind mit dem Substrat des Schaltungsblocks verlötet.
- Die
5(a) und5(b) zeigen die äußere Erscheinung des bekannten Leistungsmoduls, das in zwei in Reihe geschaltete IGBTs aufweist.6 zeigt ein Ersatzschaltbild dieses Leistungsmoduls. - In den
5(a) und (b) ist mit1 ein mit den Herausführungsanschlüssen einstückig ausgebildetes Harzgehäuse bezeichnet.2 bezeichnet einen Gehäusedeckel,3 eine metallische Basis am Boden des Harzgehäuses,4 Hauptanschlüsse und5 Hilfsanschlüsse. Die Hauptanschlüsse4 sind durch den Gehäusedeckel2 nach außen geführt. Die Hilfsanschlüsse5 sind gemeinsam in einem Randbereich des Harzgehäuses1 angeordnet. Die einzelnen Anschlüsse sind so mit dem Substrat des nicht gezeigten Schaltungsblocks innerhalb des Harzgehäuses verlötet, daß die in6 dargestellte Schaltung gebildet wird. In6 bezeichnen Tr1 und Tr2 einen jeweiligen IGBT und D eine den IGBTs jeweils antiparallel geschaltete Freilaufdiode. Die IGBTs Tr1 und Tr2 sind auf dem Schaltungsblock montiert bzw. Bestandteil desselben. Die Hauptanschlüsse4 und die Hilfsanschlüsse5 sind zusätzlich mit den Anschlußsymbolen für Kollektor, Emitter bzw. Gate bezeichnet, das heißt C1, E2, C2E1, G1, E1, G2 bzw. E2. - Der bekannte interne Verdrahtungsaufbau, wie er oben grob beschrieben wurde, führt zu folgenden Problemen bei der Herstellung und der Zuverlässigkeit. Das Harzgehäuse wird dadurch hergestellt, daß die Anschlußleitungen für die Hauptanschlüsse und die Hilfsanschlüsse an vorbestimmten Stellen einer Gießform angeordnet werden, die Gießform dann geschlossen wird und über ihren Einfüllstutzen mit Gießharz gefüllt wird. Der Gießdruck, der 0,3 bis 0,4 MPa erreicht, verschiebt die eingesetzten Anschlußleitungen von den vorbestimmten Positionen und/oder verformt sie. Insbesondere die streifenförmig ausgebildeten und in der Wand des Harzgehäuses eingebetteten Hilfsanschlußleitungen werden unter diesem Gießdruck leicht verformt.
- Der mittlere Abschnitt der in die Wand des Harzgehäuses eingesetzten Hilfsanschlußleitungen kann dabei zur Außenseite der Gehäusewand gedrückt werden und dort freiliegen. Auch können die Anschlußleitungen von Anschlüssen entgegengesetzter Polarität in der Harzschicht des Gehäuses miteinander in Berührung kommen. Freiliegende Anschlußleitungen oder kurzgeschlossene Anschlußleitungen bewirken Gieß- oder Formfehler. Die Verformung einer Anschlußleitung führt darüber hinaus zu einem zufälligen und großen Versatz des Endabschnitts der Innenleitungen innerhalb des Gehäuses gegenüber vorbestimmten Verlötungsstellen. Versetzte Innenleitungen stellen für das Verlöten ein großes Problem dar und machen die Montage des Leistungsmoduls schwierig.
- Da die Materialien für das Harzgehäuse, die Metallbasis, das isolierende Substrat (z. B. Keramik), die Anschlußleitungen und die Halbleiterbauelemente unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, werden die Verbindungsteile der Bestandteile und Komponenten thermischen Spannungen infolge der Wärmezyklen ausgesetzt, die von den Stromleitfunktionen der Halbleiterbauelemente herrühren. Insbesondere führen thermische Spannungen, die wiederholt auf verlötete Abschnitte der Endabschnitte der Innenleitungen und des Verdrahtungsmusters des Schaltungsblocks ausgeübt werden, zu Brüchen oder Rissen in der Lotschicht. Wenn sich diese Brüche oder Risse ausbreiten, können die miteinander verlöteten Flächen vollständig voneinander getrennt werden. Diese Trennung verursacht einen kritischen Fehler, so daß die Halbleiterbauelemente nicht mehr arbeiten.
- Ein Leistungsmodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der
EP 0 513 410 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik sind an der Innenseite des Gehäuses Halterungen vorgesehen, in welche die Anschlußleitungen eingesteckt werden können, um an der jeweiligen Stelle fixiert zu werden. Dieser Stand der Technik erfordert komplizierte Formen zur Herstellung des entesprechend ausgebildeten Gehäuses. - Aus der
JP 61-084047 A - Aufgabe der Erfindung ist es, ein stabiles und zuverlässiges Leistungsmodul zu schaffen, mit dem die eingangs erläuterten Probleme vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungsmodul mit einem verbesserten Anschlußverdrahtungsaufbau zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungsmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Leistungsmoduls sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Dadurch, daß die Hilfsanschlußleitungen (die zweiten Anschlußleitungen), die zum Formen bzw. Gießen des Harzgehäuses des Leistungsmoduls in die (Gieß-)Form eingesetzt werden, mittels Einsteckstiften der Form an vorbestimmten Positionen längs der Formwand gehalten werden, wird verhindert, daß die Anschlußleitungen unter dem Gießdruck beim Einfüllen des Gießharzes verformt werden oder aus dem Harzgehäuse nach außen gedrückt werden. Die rippenförmigen Vorsprünge an der Innenseitenfläche des Harzgehäuses halten die eingeformten oder eingegossenen Anschlußleitungen an der Innenseitenfläche des Harzgehäuses, so daß die halb in das Harzgehäuse eingebetteten Anschlußleitungen nicht aus dem Harzgehäuse herausfallen können.
- Beim Stromleitbetrieb des Leistungsmoduls treten Lotbrüche oder -risse in der Lotschicht zwischen dem Endabschnitt einer Innenleitung einer Anschlußleitung und dem Schaltungsblock als Folge einer thermischen Beanspruchung auf, die ihrerseits Folge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien dieser Bestandteile ist. Genauer gesagt treten die Lotrisse zunächst an der Basisseite des Endabschnitts auf, also dort, wo der Endabschnitt mit dem Steg oder Hauptteil der Innenleitung verbunden ist und von diesem festgehalten wird. Die Lotrisse dehnen sich dann in Richtung auf die Spitze des Endabschnitts aus. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Ausschnitt verbessert die Flexibilität des mittleren Abschnitts des Endabschnitts. Experimente haben bestätigt, daß der Ausschnitt verhindert, daß sich Lotrisse über den Ausschnitt hinaus ausdehnen, da die thermische Beanspruchung von dem Ausschnitt absorbiert wird, sobald sich ein Lotriß bis zu dem Ausschnitt ausgedehnt hat.
- Wenn der Ausschnitt an einer Stelle zwischen 1/3L und 1/2L von der Basis des Endabschnitts aus gemessen vorgesehen wird, wobei L die Länge des Endabschnitts von seiner Basis ist, können der Hauptstrom und Steuersignale ohne Probleme über den fehlerfreien Lotbereich zwischen dem Ausschnitt und der Spitze des Endabschnitts zum Schaltungsblock fließen, selbst wenn Lotrisse bis zum Ausschnitt vorgedrungen sind. Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit des Leistungsmoduls gegenüber den Lotbrüchen oder Rissen verbessert.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine geschnittene perspektivische Ansicht des Harzgehäuses mit eingesetzten Anschlüssen gemäß der Erfindung, -
2 eine Draufsicht auf das Leistungsmodul mit dem Harzgehäuse von1 , -
3 in einer Seitenschnittansicht den Aufbau des inneren Endabschnitts einer Innenleitung und des verlöteten Abschnitts des Endabschnitts der Innenleitung mit dem Schaltungsblock, -
4(a) einen anderen Aufbau des Endabschnitts der Innenleitung mit einem Ausschnitt, -
4(b) noch einen anderen Aufbau des Endabschnitts der Innenleitung mit zwei Ausschnitten, -
5(a) und5(b) die äußere Erscheinung eines bekannten Leistungsmoduls mit zwei in Reihe geschalteten IGBTs, und -
6 ein Schaltbild des Leistungsmoduls der5(a) und5(b) . - Wie in den
1 und2 dargestellt, sind Hilfsanschlüsse5 (G2, E2) gemeinsam in einem Randabschnitt eines Harzgehäuses1 angeordnet. Die Hilfsanschlüsse G2 und E2 sind durch Einsatz- oder Einlegformen integral mit dem Harzgehäuse1 ausgebildet. Anschlußleitungen5a der Hilfsanschlüsse G2 und E2 sind halb in die Innenseitenfläche des Harzgehäuses1 eingebettet und erstrecken sich längs der Innenseitenfläche. Der Endabschnitt5b der jeweiligen von dem Harzgehäuse1 nach innen ragenden Innenleitung ist L-förmig ausgebildet. Der L-förmige Endabschnitt5b ist mit dem Substrat eines Schaltungsblocks6 verlötet. Ein Vorsprung5c ragt von dem Harzgehäuse aus nach innen und besitzt ein Stifteinsteckloch, das in einen mittleren Abschnitt der jeweiligen Anschlußleitung5a gebohrt ist. Der Vorsprung5c ist als Mittel zur Positionierung und Halterung der Anschlußleitung5a an einer vorbestimmten Stelle mittels eines Einsteckstifts der Form zum Formen bzw. Gießen des Harzgehäuses1 mit den darin eingelegten Anschlußleitungen5a ausgebildet. Ein Stifteinsteckloch5d zum Einstecken eines Einsteckstifts der Form ist durch die Innenleitung als weiteres Mittel zur Positionierung und Halterung der Anschlußleitung5a an vorbestimmter Stelle gebohrt. Das Harzgehäuse1 enthält mehrere rippenförmige Vorsprünge1a zum Halten der Anschlußleitungen5a an verschiedenen Stellen der Innenseitenfläche des Harzgehäuses1 . Das Harzgehäuse1 enthält weiterhin einen Tragarm1b , der von seiner Innenseitenfläche nach innen vorragt, zur Positionierung und Halterung des L-förmigen Endabschnitts5b einer Anschlußleitung5a an einer vorbestimmten Lötposition. - Hauptanschlüsse
4 , die in einen Anschlußtragrahmen eingesteckt sind, der sich innerhalb der Seitenwand des Harzgehäuses1 erstreckt, werden von diesem Anschlußtragrahmen gehalten. Ein Stifteinsteckloch4d , durch das ein Einsteckstift der Form eingesteckt wird, ist in einen mittleren Abschnitt einer jeweiligen Anschlußleitung4a jedes Hauptanschlusses4 zur Positionierung und Halterung der Anschlußleitung4a an einer vorbestimmten Position mittels des Einsteckstifts beim Formen bzw. Gießen des Harzgehäuses1 gebohrt. - Beim einstückigen Formen bzw. Gießen des Harzgehäuses
1 mit den Hauptanschlüssen4 und den Hilfsanschlüssen5 werden die Anschlußleitungen4a und5a der Hauptanschlüsse4 bzw. der Hilfsanschlüsse5 in die Form eingesetzt und zunächst an einer jeweiligen vorbestimmten Position positioniert und dann durch Einsetzen von Einsteckstiften7 in die Stifteinstecklöcher der Vorsprünge5c , die Stifteinstecklöcher5d und die Stifteinstecklöcher4d beim Schließen der Form gemäß Darstellung in3 dann an den vorbestimmten Positionen festgehalten. Die Anschlußleitungen5a der Hilfsanschlüsse5 sind auf der Seite der Forminnenwand derart angeordnet, daß die Anschlußleitungen5a von der Hohlraumwand der Form überlagert werden. Dann wird durch Eingießen des Gießharzes durch den Einlaufstutzen der Form das einstückige Harzgehäuse1 der1 und2 mit den eingesetzten Anschlüssen ausgebildet. - Unter Bezugnahme auf die
3 ,4(a) und4(b) sollen nun Modifikationen des Endabschnitts5b der Innenleitung zur Verlötung der Hilfsanschlüsse5 mit dem Substrat des Schaltungsblocks erläutert werden. - Im mittleren Abschnitt in Längsrichtung des Endabschnitts
5b der Innenleitung ist auf der Lötfläche ein Ausschnitt5e zur Entlastung der thermischen Spannung ausgebildet. Die Bezugszahl8 bezeichnet eine Lotschicht. Der Ausschnitt5e ist in der Bodenfläche des Endabschnitts5b ausgebildet. Statt dessen kann ein Ausschnitt5e in einer Seitenkante des Endabschnitts5b ausgebildet werden, wie in4(a) gezeigt, oder es können zwei Ausschnitte5e an beiden Seitenkanten des Endabschnitts5b ausgebildet werden, wie in4(b) gezeigt. Vorzugsweise wird die Position des Ausschnitts5e in einer Entfernung L1 von 1/3L bis 1/2L vom Basisabschnitt des Endabschnitts5b gewählt, wobei L die Länge des Endabschnitts5b von seinem Basisabschnitt aus gemessen wird, an dem der Endabschnitt5b in den Steg oder Hauptteil (den senkrechten Schenkel der L-Form in3 ) der Innenleitung übergeht und von diesem gehalten wird. Die Tiefe des Ausschnitts5e liegt vorzugsweise bei 1/3 bis 1/2 der Dicke des Endabschnitts5b in3 oder bei 1/3 bis 1/2 der Breite des Endabschnitts5b in den4(a) und4(b) , damit die elektrische Leitfähigkeit des Endabschnitts5b nicht beeinträchtigt wird. - Der in der Lötfläche des Endabschnitts
5b ausgebildete Ausschnitt5e verbessert die Flexibilität des Endabschnitts5b . Selbst wenn Lotbrüche oder -risse9 in der Lotschicht8 zwischen dem Endabschnitt5b und dem Schaltungsblock6 aufgrund der thermischen Spannung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der betroffenen Materialien beim Betrieb des Leistungsmoduls auftreten, wird die thermische Spannung durch ein Verbiegen des Endabschnitts5b absorbiert, wenn solche Brüche oder Risse9 den Ausschnitt5e erreichen, nachdem sie sich langsam vom Basisabschnitt des Endabschnitts5b aus ausgebreitet haben. Experimente haben gezeigt, daß solche Brüche9 sich nicht über den Ausschnitt5e hinaus ausbreiten, da die Lotschicht8 keinerlei thermischer Spannung mehr ausgesetzt ist, nachdem die Brüche9 den Ausschnitt5e erreicht haben. - Dadurch, daß der Ausschnitt (bzw. die Ausschnitte)
5e bei 1/3L bis 1/2L vom Basisabschnitt des Endabschnitts5b aus vorgesehen wird, wird ein Signal problemlos über den Bereich der Länge L2 zwischen dem Ausschnitt5e und der Spitze des Endabschnitts5b übertragen, wo keine Lotbrüche oder -risse auftreten, selbst wenn sie sich bis zum Ausschnitt5e ausgedehnt haben. Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit des Leistungsmoduls gegen Lotbrüche verbessert. - Durch Ausbilden eines oder mehrerer Ausschnitte im Endabschnitt
4b der Anschlußleitung4a der Hauptanschlüsse4 in ähnlicher Weise wie oben beschrieben, wird dort die Ausdehnung von Lotbrüchen oder -rissen in der Lotschicht infolge thermischer Spannung ebenfalls unterdrückt. - Wie oben beschrieben, ergeben sich bei dem Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen.
- Dadurch, daß die Anschlußleitungen, die beim Formen des Harzgehäuses für das Leistungsmodul in die Gießform eingesetzt werden, mittels der Einsteckstifte der Form an vorbestimmten Positionen gehalten werden, wird verhindert, daß die Anschlußleitungen sich unter dem Gießdruck verformen oder zur Außenseite des Harzgehäuses gedrückt werden. Die an der Innenseitenfläche des Harzgehäuses ausgebildeten rippenförmigen Vorsprünge erleichtern das Festhalten der eingeformten Anschlußleitungen in der Innenseitenfläche des Harzgehäuses, so daß die Anschlußleitungen, die in dem Harzgehäuse halb eingebettet sind, nicht aus diesem herausfallen.
- Der in dem Endabschnitt der Innenleitung ausgebildete Ausschnitt (bzw. die Ausschnitte) verhindert, daß Lotbrüche oder -risse, die in der Lotschicht zwischen dem Endabschnitt der Innenleitung und dem Schaltungsblock auftreten, sich weiter ausdehnen und verbessert die Widerstandsfähigkeit des Leistungsmoduls gegen Lotbrüche. Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein sehr zuverlässiges Leistungsmodul geschaffen, das leicht zusammengebaut werden kann.
Claims (4)
- Leistungsmodul, umfassend: – eine metallische Basis (
3 ), – einen Schaltungsblock (6 ) mit einem isolierenden Substrat auf der metallischen Basis (3 ) und einer elektrischen Schaltung mit einem oder mehreren auf dem Substrat montierten Halbleiter-Leistungsbauelementen (Tr1, Tr2), – ein Harzgehäuse (1 ), welches den Schaltungsblock (6 ) umgibt und mit der metallischen Basis (3 ) verbunden ist, – einen Gehäusedeckel (2 ), – Hauptanschlüsse (4 ), von denen jeder eine aus einem Leiterrahmen gebildete erste Anschlussleitung (4a ) zur Verbindung des jeweiligen Hauptanschlusses mit der elektrischen Schaltung aufweist, – Hilfsanschlüsse, die zusammen in einem Randabschnitt des Harzgehäuses (1 ) angeordnet sind und von denen jeder eine aus einem Leiterrahmen gebildete zweite Anschlussleitung (5a ) aufweist, welche einen mit dem Substrat des Schaltungsblocks (6 ) verlöteten Endabschnitt (5b ) besitzt, zur Verbindung des jeweiligen Hilfsanschlusses mit der elektrischen Schaltung, – die ersten und die zweiten Anschlussleitungen (4a ,5a ) in das Harzgehäuse (1 ) eingesetzt und in dieses integriert sind, wobei an der Innenseitenfläche des Harzgehäuses (1 ) Haltemittel zum Halten der zweiten Anschlussleitungen (5a ) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die aus einem Leiterrahmen gebildeten zweiten Anschlussleitungen (5a ) längs der Innenseitenfläche des Harzgehäuses (1 ) verlegt sind, – an der Innenseitenfläche des Harzgehäuses (1 ) rippenförmige, nach innen ragende Vorsprunge (1a ) als Haltemittel vorgesehen sind, – die zweiten Anschlussleitungen (5a ) mit ihren längs der Innenseitenfläche des Harzgehäuses (1 ) verlegten Abschnitten im Harzgehäuse (1 ) halb eingebettet sind und – Zwischenabschnitte der zweiten Anschlussleitungen (5a ) in die rippenförmigen Vorsprunge (1a ) eingebettet sind, so dass die längs der Innenseitenfläche des Harzgehäuses (1 ) eingebetteten, zweiten Anschlussleitungen (5a ) aus dem Harzgehäuse (1 ) nicht herausfallen können. - Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem die ersten Anschlußleitungen (
4a ) ein erstes Stifteinsteckloch (4d ) aufweisen, das in einem Zwischenabschnitt derselben gebohrt ist, zum Positionieren der ersten Anschlußleitungen an einer ersten vorbestimmten Position mittels eines ersten Einsteckstifts einer Form zum Formen des Harzgehäuses, die zweiten Anschlußleitungen (5a ) ein zweites Stifteinsteckloch (5d ) aufweisen, das in einem Zwischenabschnitt derselben gebohrt ist, zum Positionieren der zweiten Anschlußleitungen an einer zweiten vorbestimmten Position mittels eines zweiten Einsteckstifts der Form, und die zweiten Anschlußleitungen weiterhin einen in einem Zwischenabschnitt derselben ausgebildeten Vorsprung (5c ) aufweisen, durch welchen ein drittes Stifteinsteckloch gebohrt ist, zum Positionieren der zweiten Anschlußleitungen an der zweiten vorbestimmten Position mittels eines dritten Einsteckstifts der Form, wobei während des Formens des Harzgehäuses mit den eingesetzten ersten und zweiten Anschlußleitungen der erste Einsteckstift in das erste Stifteinsteckloch, der zweite Einsteckstift in das zweite Stifteinsteckloch und der dritte Einsteckstift in das dritte Stifteinsteckloch einsteckbar sind. - Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Endabschnitt (
5b ) der ersten und/oder der zweiten Anschlußleitungen (4a ,5a ) wenigstens einen Ausschnitt (5e ) zur Entlastung einer thermischen Spannung aufweist, die auftritt, wenn der Endabschnitt mit der elektrischen Schaltung verlötet wird. - Leistungsmodul nach Anspruch 3, bei dem der Ausschnitt (
5e ) an einer Position zwischen 1/3L und 1/2L von der Basis des Endabschnitts aus angeordnet ist, wobei L die von dessen Basis aus gemessene Länge des Endabschnitts ist.
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