DE3604313A1

DE3604313A1 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE3604313A1
Application number: DE19863604313
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dipl Ing Dr Bayerer
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1987-08-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiter modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Leistungshalbleitermodul ist aus dem DE-GM 78 08 801 und der DE-OS 32 41 508 bekannt. Das bekannte Leistungshalb leitermodul besteht aus einem Kunststoffgehäuse, das am Boden offen ist. Als Bodenfläche ist ein Keramiksubstrat eingesetzt, das auf seiner Oberseite eine strukturierte Metallisierung aufweist, auf die Leistungshalbleiterbau elemente und elektrische Verbindungselemente für modul interne Verbindungen aufgelötet sind. Außerdem sind auf der Metallisierung des Substrats Anschlußelemente für äußere Anschlüsse angelötet. Solche äußeren Anschlüsse sind sowohl laststromführende Hauptanschlüsse als auch Steueranschlüsse für die Ansteuerung von gesteuerten Leistungshalbleiterbauelementen. Alle diese äußeren An schlüsse sind auf der Oberseite des Moduls angeordnet. Deshalb sind die Anschlußelemente für diese Anschlüsse im wesentlichen senkrecht nach oben geführt.

Gemäß bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Module werden in einem ersten Schritt die Leistungshalbleiter bauelemente und die Anschlußelemente für äußere An schlüsse auf dem Substrat angelötet. In einem zweiten Schritt werden beispielsweise mit Hilfe einer Drahtbond einrichtung interne Verbindungsleitungen hergestellt. Je nach Anordnung der Anschlußelemente und der Halbleiter bauelemente auf dem Substrat können die hohen, senkrecht auf dem Substrat stehenden und angelöteten Anschlußele mente dem Bondwerkzeug im Wege sein. Um diesem Problem abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, die Anschluß elemente zunächst flach liegend anzulöten und erst nach dem Bondvorgang nach oben zu biegen, also erst vor dem Einsetzen des fertig bestückten und verdrahteten Sub strats in das Kunststoffgehäuse. Es zeigte sich jedoch, daß die mechanische Beanspruchung des Substrats und der Lötstellen an den Anschlußelementen durch das Biegen der Anschlußelemente zu Schäden führen kann. Deshalb wurde in der Patentanmeldung DE 34 40 925 vorgeschlagen, fle xible Anschlußelemente aus Fiederblechstreifen vorzuse hen. Mit solchen Fiederblechstreifen lassen sich außer dem auf einfache Weise sogenannte außenliegende An schlüsse herstellen. Damit sind Anschlüsse gemeint, de ren Projektion von oben auf das Substrat gesehen außer halb der Substratfläche liegt. Das trifft z.B. auf die in Fig. 6 der Patentanmeldung 34 40 925 dargestellten Steueranschlüsse zu. Allerdings sind nach dem Anlöten der flexiblen Blechstreifen während der Herstellung des Moduls noch weitere Arbeitsschritte erforderlich, näm lich Biege- und Schweißschritte bzw. Lötschritte, die spezieller Vorrichtungen bedürfen und Ursache für Be schädigungen des Moduls sein können. Vor dem Vergießen des Moduls mit Weich- und Hartverguß sind außerdem die Blechstreifen neu auszurichten, um ihre Position mit den vorgegebenen Abmessungen im Gehäuse in Übereinstimmung zu bringen. Außerdem erfordern flexible Anschlußelemen te, beispielsweise die gemäß Fig. 6 der Patentanmeldung 34 40 925 um 90° gedrehten Fiederblechstreifen größere Abstände zu anderen Bestückungselementen. In mit Bestüc kungselementen dicht bepackten Modulen können deshalb flexible Anschlußelemente nicht immer Anwendung finden. In diesen Fällen müssen starre, speziell geformte An schlußelemente für außenliegende Anschlüsse vorgesehen werden. Dabei kann jedoch die Schwierigkeit auftreten, daß sich das fertig bestückte und gelötete Substrat nicht mehr in das Kunststoffgehäuse einsetzen läßt. Das bedeutet, daß bestimmte, z.B. im Hinblick auf wünschens werte große Abstände zwischen den Haupt- und Steueran schlüssen oder im Hinblick auf hohe mechanische Festig keit günstige Anordnungen nicht herstellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten durch eine geeignete Modulgestaltung und ein geeignetes Herstellverfahren zu überwinden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleiter modul nach dem Anspruch 1 sowie gemäß Anspruch 5 durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiter moduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vorteil hafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, Anschlußelemente für äußere Anschlüsse, soweit sie während des Drahtbon dens oder beim Einsetzen des bestückten Substrats in das Kunststoffgehäuse stören, erst nach dem Einbau des Sub strats einzusetzen.

Bei einer bevorzugten Modulgestaltung werden an den An schlußstellen auf dem Substrat Steckhülsen angeordnet, in die später Anschlußelemente eingesteckt werden. Es ist jedoch auch möglich, auf solche Steckhülsen zu ver zichten und die nachträglich zu befestigenden Anschluß elemente in einem zweiten Lötschritt am Substrat anzu löten. Beide Varianten haben den Vorteil, daß die nach träglich einzusetzenden Anschlußelemente beim Drahtbon den nicht stören und daß bezüglich der Gehäusegestal tung, der Anschlußelemente-Anordnung und der Möglich keiten zur Formgebung bei den Anschlußelementen im Ver gleich zu Modulen nach dem Stand der Technik wenige Ein schränkungen bestehen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleiter modul, wobei der Gehäusedeckel entfernt ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Leistungshalbleiter moduls in der in Fig. 1 eingetragenen Schnitt ebene A-B,

Fig. 3 eine im Modul eingesetzte Steckhülse und

Fig. 4 ein Anschlußelement für einen Steueranschluß.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein Leistungshalbleitermodul, dessen Gehäusedeckel abgenommen ist. Das Modul besteht aus einem Kunststoffgehäuse 1 und einem Keramiksubstrat 2, das in eine Öffnung am Boden des Gehäuses 1 einge setzt ist. Dies ist aus Fig. 2 deutlicher zu ersehen. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht, in der in Fig. 1 ein getragenen Schnittebene A-B.

Das Substrat 2 ist in das Gehäuse 1 eingeklebt. Zur Auf nahme von Klebstoffresten weist das Gehäuse 1 eine Nut 3 auf. Auf der Unterseite weist das Substrat 2 eine durch gehende Metallschicht 4 auf. Das Substrat 2 ist so in eine Vertiefung des Gehäusebodens eingesetzt, daß es ge ringfügig aus der Bodenfläche herausragt, wodurch ein ausreichender Anpreßdruck bei Montage auf einen Kühlkör per erzielt wird. Auf der Oberseite trägt das Substrat eine strukturierte Metallisierung 5, auf die Halbleiter bauelemente 6 und Verbindungselemente 7 in Form von Bü geln oder Clips für interne Verbindungen aufgelötet sind. Außerdem sind mit einem Drahtbonder hergestellte Verbindungsleitungen 8 zwischen Halbleiterbauelementen 6 und der strukturierten Metallisierung 5 zu erkennen. Weiterhin sind in Fig. 1 auf der strukturierten Metalli sierung 5 Anschlußpunkte 9 zu erkennen, an denen nicht dargestellte Anschlußelemente für Hauptanschlüsse ange lötet werden. Schließlich sind auf der strukturierten Metallisierung 5 Steckhülsen 10 angelötet, in die an An schlußelemente 11 angeformte Stecker 12 eingesteckt sind. An das Anschlußelement 11 ist außerdem ein nach oben aus dem Gehäuse 1 herausgeführter Steueranschluß 13 angeformt. Weiterhin ist an das Anschlußelement 11 eine nach unten weisende Verlängerung 14 des Steueranschlus ses 13 angeformt, die in eine Tasche 15 des Gehäuses 1 gesteckt ist. Das aus einem z.B. 0,8 mm dicken Messing blech hergestellte Anschlußelement 11 ist in Fig. 4 ver größert dargestellt. Das Anschlußelement 11 wird somit an drei Stellen geführt, nämlich in der Durchführungs öffnung für den Stecker 13 am Gehäusedeckel, in der Steckhülse 10 und in der Tasche 15 des Gehäuses 1, wobei die Tasche 15 sowohl eine seitliche Führung als auch einen Anschlagpunkt bei Druck von oben auf den Stecker 13 bietet. Bei dem Stecker 13 handelt es sich um einen sogenannten außenliegenden Anschluß, da seine Projektion auf die Ebene des Substrats 2 außerhalb der Substrat fläche liegt.

Das rechteckförmige Kunststoffgehäuse 1 weist auf seinen beiden Schmalseiten Befestigungsflansche 16 mit Bohrun gen 17 für Befestigungsschrauben auf. Im Bereich der Flansche 16 sind Schlitze 18 vorgesehen, um die Übertra gung von mechanischen Spannungen aus dem Bereich der Be festigungsschrauben auf das Substrat 1 zu verhindern. Die Befestigungsflansche 16 liegen jeweils zwischen zwei Gehäusekammern 19, die jeweils zwei Taschen 15 aufwei sen. Das Gehäuse 1 ist somit zur Aufnahme von bis zu acht Anschlußelementen 11 mit Steueranschlüssen 13 ge eignet.

Fig. 3 zeigt die Steckhülse 10, die z.B. aus einem etwa 0,2 mm dicken und etwa 3 mm breiten Metallstreifen, z.B. aus Federbronze hergestellt sein kann. Die Steckhülse 10 weist einen Dehnungsbogen 20 auf.

Zur Herstellung des Moduls wird zunächst das mit der strukturierten Metallisierung 5 versehene und vorbelo tete Substrat 2 mit den Steckhülsen 10, den Halbleiter bauelementen 6, den Verbindungselementen 7 und Anschluß elementen für Hauptanschlüsse bestückt und gelötet. Die Anschlußelemente für die Hauptanschlüsse behindern bei der gewählten Anordnung nicht die weiteren Arbeits schritte. Im nächsten Schritt werden mit einem Draht bonder Verbindungsleitungen 8 zwischen den Halbleiter bauelementen 6 und der strukturierten Metallisierung 5 hergestellt. Die z.B. nur 6 mm hohen Steckhülsen 10 stö ren dabei nicht. Anschließend wird das soweit fertigge stellte Substrat 2 in das Gehäuse 1 eingesetzt und dabei mit dem Gehäuse 1 verklebt. Schließlich werden die An schlußelemente 11 zur Herstellung der Steueranschlüsse 10 von oben in das Kunststoffgehäuse 1 eingesteckt, d.h. jeweils mit ihrem Stecker 12 in die Steckhülse 10 und mit ihrer Verlängerung 14 in eine Tasche 15 gesteckt.

Zur zusätzlichen Sicherung des Kontaktes zwischen Stec ker 12 und Steckhülse 10 kann der Stecker 12 vor dem Einstecken in die Steckhülse 10 in einen elektrisch lei tenden Kleber getaucht werden. Der Dehnungsbogen 20 un terhalb der Steckhülse 10 sorgt für eine Zugentlastung der Klebeverbindung. Geeignet ist ein nickel- oder koh lenstoffgefüllter Kleber. Falls eine Steckverbindung bei einem Anschlußelement für einen Hauptanschluß vorgesehen ist, ist ein silberhaltiger Kleber vorzuziehen, der eine höhere Leitfähigkeit aufweist.

Alternativ zu dem oben beschriebenen Herstellverfahren für einen Modul mit gesteckten Anschlußelementen 11 kann auch nachstehendes Herstellverfahren angewendet werden, wobei keine Steckverbindung erforderlicht ist. Dabei wird im ersten Schritt wie zuvor das Substrat 2 bestückt und gelötet, allerdings werden keine Steckhülsen 10 ein gesetzt. Im zweiten Schritt werden wie zuvor Verbin dungsleitungen 8 mit einem Drahtbonder hergestellt und das Substrat 2 anschließend in das Gehäuse 1 eingeklebt. Danach folgt ein weiterer Lötvorgang bei z.B. 200°C, wobei Anschlußelemente 11 mit Hilfe von niedrig schmelzendem Lot an den vorgesehenen Stellen auf der Metallisierung 5 des Substrats 2 angelötet werden. Die Kontaktstellen sind dabei vorbelotet. Das Kunststoffge häuse 1 wird während dem zweiten Lötvorgang zwar der Löttemperatur ausgesetzt, nimmt dabei jedoch keinen Schaden.

Claims

1. Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffge häuse und mit Anschlußelementen für äußere Haupt- und Steueranschlüsse, wobei in die Bodenfläche des Kunst stoffgehäuses ein Keramiksubstrat eingesetzt ist, das mindestens auf seiner Oberseite mit einer strukturierten Metallisierung versehen und mit Halbleiterbauelementen bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Anschlußelemente (11) für äußere Anschlüsse (13) über eine aus einer Steckhülse (10) und einem Stec ker (12) bestehende Steckvorrichtung mit der Metallisie rung (5) des Keramiksubstrats (2) verbunden ist.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Steckvorrichtung (10,12) eine Steckhülse (10) aus federndem Metall aufweist.

3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß an die Steckhülse (10) ein Dehnungsbogen (20) angeformt ist.

4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Steck hülse (10) der an das für einen Steueranschluß (13) vor gesehene Anschlußelement (11) angeformte Stecker (12) gesteckt ist, wobei die Projektion des Steueranschlusses (13) auf die Ebene des Keramiksubstrats (2) außerhalb der Fläche des Keramiksubstrats (2) liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalb leitermoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ge kennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Bestücken und Verlöten des Substrats (2) mit Halb leiterbauelementen (6), Verbindungselementen (7) und gegebenenfalls einem Teil der insgesamt benö tigten Anschlußelemente,
b) Herstellung - soweit erforderlich - von internen Verbindungsleitungen (8) mit einem Drahtbonder, Einsetzen und Verkleben des bestückten und verlö teten Substrats (2) in das Kunststoffgehäuse (1),
c) Einsetzen von mit niedrigschmelzendem Lot vorbelo teten Anschlußelementen (11) in das Modul und Durchführung einer zweiten Lötung bei gegenüber dem Schritt a) verringerter Löttemperatur.