DE3628556C1 - Semiconductor device - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche als Stromrichtermodul bezeichnete Halbleiter­ anordnung ist aus der DE-OS 27 28 313 bekannt. Sie weist zwei elektrisch als Zweigpaar geschaltete Halbleitertabletten auf, von welchen jede beidseitig zwischen Kontaktstücken an­ geordnet und durch Druck mittels Federkraft kontaktiert ist.

Derartige Module zeigen verschiedene Nachteile. So erfordert die Verbindungstechnik zu weiteren Anordnungen bzw. zu Steuer- und Schutzschaltungskreisen bei der Anwendung in Strom­ richtergeräten einen erheblichen Platz-, Material- und Arbeits­ aufwand.

Weiter ist der Austausch eines Zweigpaares infolge der vor­ gegebenen Führung und Befestigung der Anschlußleiter, insbeson­ dere bei Anordnung und gemeinsamer Schaltung von mehreren, nur mit erheblichem Aufwand zum Lösen und Entfernen sowie zum Ein­ fügen und Befestigen von Schaltungsteilen möglich.

Weiter ist in dem DE-GM 85 04 134 eine Spannvorrichtung für ein Halbleiterbauelement beschrieben, wobei das letztere lösbar und durch Druck mit einer als Stromschiene bezeichneten Kontaktplatte und einem Kühlkörper verbunden ist.

Schließlich ist aus der DE-OS 29 27 860 eine Vorrichtung zum Einspannen eines scheibenförmigen Halbleiterbauelements zwischen zwei Kühlkörpern bekannt.

Schließlich besteht im Hinblick auf die weiter zunehmende Anwendung von Halbleiterbauelementen und -baueinheiten mit immer komplizierterem Aufbau für unterschiedlichste Schalt-, Steuer- und Regelungsvorgänge in vielen Bereichen der Technik die Forderung nach immer wirtschaftlicheren Her­ stellungsverfahren, insbesondere zur Erzielung von Großserien, welcher die beim Herstellen der bekannten Stromrichtermodule notwendigen Fertigungsprozesse nicht mehr in allen Teilen entsprechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteran­ ordnung anzugeben, deren Aufbau Verbindungen zu Steuer- und Schutzschaltungen vereinfacht, das Auswechseln der Anordnung im Verbund mit weiteren verbessert und eine kostengünstigere und einfachere Herstellung ermöglicht. Außerdem sollen auch Halbleitertabletten mit beliebiger Anzahl von Funktions­ bereichen einsetzbar sein.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15 gegeben.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch und in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung nach der Erfindung. In

Fig. 2 ist im Querschnitt das Element nach Fig. 1, jedoch in Isolierstoffmasse gekapselt, dargestellt.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung und

Fig. 4 ausschnittweise weitere Ausführungsbeispiele.

Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Gemäß Fig. 1 ist eine Halbleitertablette (2) im wesentlichen zentral auf einer Grundplatte (1) befestigt. Die Halbleitertablette weist mehrere Funktionsbereiche auf, deren Verbindung mit den als Kontaktstücke bezeichneten Abschnitten (4, 5) der Stromleiterteile durch die Linien 3 dargestellt ist. Steuerstrombereiche der Halbleitertablette sind üblicherweise mittels drahtförmiges, Laststrombereiche dagegen mittels litzenbandförmiger Leiterteile kontaktiert. Es können Funktionsbereiche für einen Betrieb z. B. als Gleichrichter, als Transistor oder als Thyristor vorgesehen und im Verbund geschaltet oder aber jeweils elektrisch neutral angeordnet sein, um außerhalb der Anordnung entsprechend geschaltet zu werden. So kann in der Halbleitertablette eine Darlington-Schaltung mit ergänzenden Elementen ausgebildet sein. Sind zwei oder mehr Halbleitertabletten auf der Grundplatte angebracht, so kann jede derselben andere Funktionsbereiche enthalten. Andererseits ist aber auch ein Aufbau mit einer Parallelschaltung sämtlicher Funktionsbereiche einer Halbleitertablette erzielbar.

Die Halbleitertablette (2) ist durch Löten oder Kleben auf der Grundplatte (1) befestigt. Sie kann auf einer metallischen Grundplatte oder aber z. B. auf einer direkt mit Kupfer metallisierten Keramikplatte angebracht sein. Ausbildung und Befestigung der Halbleitertablette sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Am Umfang der Halbleitertablette und von dieser räumlich getrennt sind die Kontaktstücke (4, 5) auf der Grundplatte (1) angeordnet. Je nach elektrischer Zuordnung der Teile Grundplatte, Halbleitertablette und Leiterteile sind die Kontaktstücke elektrisch isoliert oder elektrisch leitend auf der Grundplatte befestigt. Dies ist mit Hilfe einer Lötverbindung oder aber durch Kleben möglich. Außer auf der Grundplatte können Kontaktstücke auch auf der Halbleitertablette befestigt sein. Mit (4) sind über eine Isolierstoffzwischenschicht (7) befestigte Kontaktstücke und mit (5) ist ein unmittelbar auf der Grundplatte aufgebrachtes Kontaktstück bezeichnet. Die Kontaktstücke können auch lose auf der Grundplatte aufgelegt und auf beiden Seiten durch Druck mittels Federkraft kontaktiert sein.

Im Falle einer elektrisch isolierten Anbringung der Halbleitertablette (2) auf der Grundplatte (1) ist an der Unterseite der Halbleitertablette ein zusätzliches Leiterteil vorgesehen, welches mit seiner Fortsetzung ebenfalls nach oben geführt ist.

Die Kontaktstücke (4, 5) sind leistenförmig ausgebildet und weisen eine freie obere Fläche (4 a, 5 a) auf, welche zur Druckkontaktierung vorgesehen und vorzugsweise geeignet vorbehandelt, z. B. versilbert ist. Als geeignete Beschichtung der freien oberen Fläche für die Kontaktierung kann auch eine duktile Metallfolie dienen. Sämtliche Kontaktstücke (4, 5) haben, bezogen auf die Grundplatte (1), gleiche Bauhöhe. Bei mehreren Funktionsbereichen der Halbleitertablette (2) in Zuordnung zu einer Kontaktstückseite sind die Konstaktstücke unterteilt, wie dies mit (6) bezeichnet ist. Die Leiterteilabschnitte (3) sind z. B. durch Bonden sowohl mit der Halbleitertablette (2) als auch mit den Kontaktstücken (4, 5) fest verbunden. Die Isolierstoffzwischenschicht (7) zur elektrisch isolierten Anordnung von Kontaktstücken auf der Grundplatte (1) kann aus Oxidkeramik bestehen. Die Kontaktstücke (4, 5) sind für ihre Verbindung mit den Leiterteilabschnitten (3) so ausgebildet, daß eine gleichzeitige mechanisierte Verbindung aller Teile durchführbar ist.

Die Auflagefläche der Grundplatte (1) ist im Hinblick auf die Forderung nach bestmöglicher Ableitung der Verlustwärme zum Kühlbauteil plan und kann entsprechend oberflächenbehandelt sein.

Ein Aufbau nach Fig. 1 kann z. B. quadratische Grundfläche haben. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die Anordnung ohne Vorzugsrichtung in gewünschter räumlicher Zuordnung zu weiteren in einer Schaltung aufgereihten Halbleiteranordnungen mit diesen verbunden sein kann. Weiter können Halbleitertablette(n) (2) und Kontaktstücke (4, 5) so ausgebildet und auf der Grundplatte (1) wählbar so angeordnet sein, daß bei Aufreihung und elektrischer Verknüpfung mehrerer Halbleiteranordnungen eine die Stromleitungsführung begünstigende Struktur der Stromanschlußstellen gegeben ist.

In Fig. 2 ist ein Aufbau nach Fig. 1 im Schnitt längs der Linie AA dargestellt. Zusätzlich ist die Bauteilstruktur auf der Grundplatte (1) noch in Isolierstoffmasse (9) gekapselt. Aus dieser ragen abschnittweise die Kontaktstücke (4, 5) heraus. Die Druckkontaktierung erfolgt auf der jeweils vorbehandelten Fläche (4 a bzw. 5 a). Die Höhe der Isolierstoffmasse (9) ist unkritisch, ebenso ihre laterale Ausdehnung, sofern die Bestimmungen über die Einhaltung von Isolationsabständen berücksichtigt sind.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung gezeigt, d. h. ein aus Grundplatte (1) und aus Halbleitertablette (2) mit Stromleiterteilen in Isolierstoffmasse (9) gebildetes Halbleiterelement, welches zwischen einem Kühlbauteil (13) und einer Kontaktplatte (10) eingespannt ist. Zu deren gegenseitiger fester Verbindung durch Zusammenpressen dienen Schraub­ elemente, d. h. Schraubbolzen, deren Lage lediglich durch strichpunktierte Linien gezeigt ist. Die Kontaktplatte (10) besteht aus einem Plattenpaar mit der Leiterplatte (10 a) aus glasfaserverstärktem Kunststoff und mit der metallischen Deckplatte (10 b) als Druckplatte. Die Leiterplatte kann auch aus Keramik hergestellt sein. Sie weist auf ihrer Kontaktseite Kontaktstege (11) zur Druckkontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) und weiter als Leiterbahnen (102 a) bezeichnete Metallisierungen entsprechenden Querschnitts auf. Deren Verlauf und Verwendung sind durch die Funktionsbereiche der Halbleitertablette und deren schaltungsgemäßen Einsatz bestimmt. Die Leiterbahnen sind auch mit Stromanschlußstellen für die Halbleitertablette verbunden, wie dies in Fig. 3 am Ende der Leiterbahn (102 a) mit der metallisierten Durchbohrung (103) dargestellt ist.

Funktionsbereichen der Halbleitertablette (2) für Steuer- und/oder Schutzschaltungskreise sind in gleicher Weise auf der Grundplatte (1) Kontaktstücke und auf der Kontaktplatte (10) Leiterbahnen (102 a) zugeordnet.

Gerade das Verlegen der Kontaktierung von der Struktur der Halbleitertablette zu von ihr räumlich getrennten Teilen ihrer Stromleiterteile und die gleichzeitige Kontaktierung einer beliebigen Anzahl von Funktionsbereichen einer oder mehrerer Halbleitertabletten durch eine gemeinsame Kontaktplatte ermöglichen überraschend einfach sowohl den Einsatz von Halbleitertabletten mit mehrerer Funktionsbereichen als auch die Anwendung der Verbindungs- und Schaltungstechnik nach den Methoden bei integrierten Schaltungen und damit einen weitestgehend universell verwendbaren Aufbau der Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit des Einsatzes von Einrichtungen zur Herstellung von Vielfachverbindungen zwischen Halbleitertablette und Stromleiterteilen sowie die Verwendung von üblichen Isolierstoffplatten zur gewünschten Vielfachkontaktierung der Leiterteil- Kontaktstücke.

Kontaktplatte (10) und Kühlbauteil (13) sind mit übereinstimmenden Durchbohrungen zur zentrierten Führung durch die Schraubbolzen versehen, die z. B. an gegenüberliegenden Stellen im Verlauf des Umfangs der beiden Bauteile angeordnet sind. Beim dargestellten Aufbau mit einem Plattenpaar als Kontaktplatte (10) ist die Leiterplatte (10 a) durch die Deckplatte (10 b) mit angepreßt. Bei der lösbaren Verbindung von Kühlbauteil (13), Kontaktplatte (10) und Halbleiterelement können zusammen mit den Schraubbolzen auch Federkörper in Form von Schrauben- oder Tellerfedern vorgesehen sein.

Weiter kann die Deckplatte (10 b) als Federkraftspeicher vorgesehen und zu diesem Zweck aus Federstahl und geringfügig geeignet gewölbt ausgebildet sein.

Als Kontaktplatte kann auch eine einstückige Isolierstoffplatte (18) vorgesehen sein, die auf der Kontaktseite mit metallisierten Bereichen (17) zur Kontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) und zusätzlicher anwendungsbedingter Schaltungsbauteile versehen ist. Ene solche Ausführungsform ist in Fig. 4a im Ausschnitt gezeigt.

Weiterhin kann als Kontaktplatte eine Metallplatte (28) dienen, bei welcher Leiterbahnen (27) über Isolierstoff­ zwischenschichten (29) aufgebracht sind, wie dies in Fig. 4b ebenfalls ausschnittweise dargestellt ist.

Das Kühlbauteil (13) in Fig. 3 ist vorzugsweise ein Strangpreßteil mit einer Montageplatte (13 a) und mit davon wenigstens nach einer Richtung abgehenden Kühlrippen (13 b). Die Montageplatte (13 a) enthält die Durchbohrungen für die Schraubbolzen, welche elektrisch isoliert durch das Kühlbauteil geführt sind. Zur Befestigung auf einer Unterlage sind an den beiden äußersten Kühlrippen des Kühlbauteils flanschförmige Ansätze (14) mit einer Durchbohrung zur Schraubbefestigung angebracht. Die Flächenausdehnung der Montageplatte (13 a) entspricht im wesentlichen derjenigen der Grundplatte (1). Die letztere kann zu ihrer Justierung mittels der Schraubbolzen an entsprechenden Stellen ihres Umfangs angepaßte Aussparungen aufweisen.

Die Anordnung nach Fig. 3 kann auch räumlich umgekehrt, d. h. über die Kontaktplatte auf einem Träger, z. B. einem Schrankteil, befestigt sein. Dafür kann die Kontaktplatte an Randbereichen mit winkel- oder flanschförmigen Ausbildungen zur Anbringung versehen sein. Eine solche räumliche Anbringung ist besonders vorteilhaft, wenn außer der oder den Halbleitertabletten der Halbleiteranordnung noch Steuer- und/oder Schutzschaltungs­ kreise zum Betrieb der Anordnung mit dieser elektrisch verknüpft sein müssen. Zu diesem Zweck ist eine Kontaktplatte mit größerer Flächenausdehnung vorgesehen, als sie durch die Maße des Halbleiterelements bestimmt ist, z. B. mit einem an einer Seite überstehenden Abschnitt (101 a), und dient dann als gemeinsame Kontaktplatte für alle Schaltungsteile.

Der Aufbau einer solchen Schaltung mit beliebiger Anzahl von Schaltungselementen unterschiedlicher Struktur ist besonders einfach herstellbar, indem die gemeinsame Kontaktplatte mit ihrer kontaktfreien Oberseite auf einer Unterlage aufgebracht wird, von der Unterlage aus sämtliche Schraubbolzen durchgesteckt werden und nach oben herausragen, die Schaltungselemente nach vorgegebenem Schema mit ihren Kontaktstellen, z. B. auch mit Hilfe von Justiermitteln, auf die Kontaktstege (11) der Kontaktplatte aufgesetzt und außerdem steckbare Zusatzelemente aufgesteckt werden, weiter das Kühlbauteil - oder bei leistungsintensiven Zusatzelementen die Kühlbauteile - über die Schraubelemente aufgesteckt und schließlich alle über die Schraubelemente zu verbindenden Bauteile zusammengespannt werden.

Bei der Herstellung der beschriebenen Halbleiteranordnung werden zunächst die Halbleitertablette(n) (2) mit ihren Kontaktstücken (4, 5) auf der Grundplatte (1) positioniert befestigt, z. B. aufgelötet. Dabei kann die Halbleiterplatte als Gleichrichterdiode oder aber als Leistungsschaltkreis ausgebildet sein und, im letzteren Fall, eine größere Anzahl von elektrischen Verbindungen erfordern. Die Verbindungen zwischen Grundplatte (1) und Kontaktstücken (4, 5) der Halbleitertablette(n) (2) werden durch Bonden oder durch Löten hergestellt. Dazu sind die Kontaktstücke z. B. an der der Halbleitertablette zugewandten Fläche stufenförmig abgesetzt ausgebildet, so daß auf der oberen Stufenfläche die Bondverbindungen der Leiterteile herstellbar sind. Im Anschluß daran wird dieser Aufbau durch Einbetten in eine Isolierstoffmasse (9) gekapselt. Dies kann durch Vergießen oder durch Umpressen erfolgen. Danach wird das aus Grundplatte (1) und Halbleitertablette (2) mit Stromleiterteilen in Isolierstoffmasse (9) bestehende Halbleiterelement mit Hilfe von Justiermitteln auf die Montageplatte (13 a) des Kühlbauteils aufgesetzt. Abschließend wird auf die freie Oberseite des Halbleiterelements, aus welcher die zur Druckkontaktierung vorgesehenen Kontaktstückbereiche herausragen, die in angepaßter Struktur ausgebildete Kontaktplatte (10, 18, 28) ebenfalls justiert aufgesetzt und mit Hilfe der durchgehenden Schraubbolzen mit dem Halbleiterelement sowie über das letztere mit dem Kühlbauteil (13) durch Zusammenpressen fest verbunden.

Claims (16)

1. Halbleiteranordnung, bei welcher

• a) mindestens eine Halbleiterplatte (2) mit Strom­ leiterteilen auf einer Grundplatte (1) angebracht und
• b) in Isolierstoffmasse (9) gekapselt ist,
• c) die Stromleiterteile wenigstens stellenweise als Kontaktstücke (4, 5) zur Druckkontaktierung ausge­ bildet sind und
• d) auf der von der Grundplatte (1) abgewandten Seite der Halbleitertablette (2) aus der Isolierstoffkapselung herausragen, und
• e) das aus Grundplatte (1) und aus Haltbleitertablette(n) (2) mit Stromleiterteilen in Isolierstoffkapselung gebil­ dete Halbleiterelement zwischen einem an der Grund­ platte (1) angeordneten Kühlbauteil (13) und einer auf den Kontaktstücken (4, 5) angeordneten Kontaktplatte (10, 18, 28) lösbar druckkontaktiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) die Kontaktstücke (4, 5) von der Halbleitertablette (2) getrennt auf der Grundplatte (1) angeordnet sind, und
• g) die Druckkontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) außer­ halb der Isolierstoffkapselung und
• h) eine allen Kontaktstücken (4, 5) gemeinsame Kontakt­ platte (10, 18, 28) vorgesehen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (4, 5) unlösbar mit der Grundplatte (1) verbunden sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (4, 5) sowohl mit der Kontaktplatte (10) als auch mit der Grundplatte (1) druckkontaktiert sind.

4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (4, 5) leisten- oder höckerförmig ausgebildet und an der oder den Kontaktfläche(n) (4 a, 5 a) in einer die Druckkontaktierung begünstigenden Weise vorbehandelt sind.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktplatte (10) ein Plattenpaar aus einer Leiter­ platte (10 a) und aus einer Deckplatte (10 b) als Druckplatte vorge­ sehen ist und daß die Leiterplatte metallisierte Bereiche (11) zur Kontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) und zusätzlicher anwendungsbedingter Schaltungsbauteile aufweist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktplatte eine Isolierstoffplatte (18) vorgesehen ist, die auf der Kontaktseite metallisierte Bereiche (17) zur Kontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) und zusätzlicher an­ wendungsbedingter Schaltungsbauteile aufweist.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktplatte eine Metallplatte (28) vorgesehen ist, die auf der Kontaktseite elektrisch isolierte (29) Kontakt­ metallbereiche (27) zur Kontaktierung der Kontaktstücke (4, 5) und zusätzlicher anwendungsbedingter Schaltungsbauteile auf­ weist.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Verbindung von Kühlbauteil (13), Kontaktplatte (10, 18, 28) und Halbleiterelement mit Hilfe von Schraub­ elementen vorgesehen ist, und daß Kühlbauteil und Kontaktplatte Durchbohrungen zur Führung der Schraubelemente aufweisen.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der lösbaren Verbindung von Kühlbauteil (13), Kontakt­ platte (10, 18, 28) und Halbleiterelement durch Schraubelemente zusätzlich Federkraftspeicher in Form von Schrauben- oder Tellerfedern vorgesehen sind.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur lösbaren Verbindung von Kühlbauteil (13) und Kontaktplatte (10) durch Schraubelemente die Druckplatte (10 b) als Feder­ kraftspeicher vorgesehen und aus Federstahl mit geeigneter Wölbung ausgebildet ist.

11. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens an einer Seite über das Kühlbauteil (13) überstehende Kontaktplatte (10, 18, 28) vorgesehen ist, und daß auf dem überstehenden Abschnitt (101 a) Ausbildungen sowohl für Stromanschlüsse und Schaltungsbauteile zum Betrieb der Halbleitertablette(n) (2) als auch zur konstruktiven und/oder schaltungstechnischen Verbindung mit weiteren Halbleiteranordnungen angebracht sind.

12. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatte (10, 18, 28) Ausbildungen zur Befestigungen in Anlagen oder Geräten aufweist.

13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitertablette (2) aus wenigstens einem Funktions­ element besteht.

14. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Montageplatte (13 a) und davon abgehenden Kühlrippen (13 b) bestehende Kühlbauteil (13) an der Montageplatte (13 a) Ausbildungen zur Justierung der Grundplatte (1) aufweist.

15. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitertablette (2) elektrisch isoliert und thermisch gut leitend auf der Grundplatte (1) befestigt ist.