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DE4031051C2 - Modul mit mindestens einem Halbleiterschaltelement und einer Ansteuerschaltung - Google Patents

Modul mit mindestens einem Halbleiterschaltelement und einer Ansteuerschaltung

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DE4031051C2
DE4031051C2 DE4031051A DE4031051A DE4031051C2 DE 4031051 C2 DE4031051 C2 DE 4031051C2 DE 4031051 A DE4031051 A DE 4031051A DE 4031051 A DE4031051 A DE 4031051A DE 4031051 C2 DE4031051 C2 DE 4031051C2
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module according
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Rainer Dipl Ing Dangschat
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TDK Micronas GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Modul mit mindestens einem Halblei­ terschaltelement und einer Ansteuerschaltung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.
Es sind bereits eine Vielzahl von Modulen bekannt, die minde­ stens ein Halbleiterschaltelement, im allgemeinen ein Lei­ stungshalbleiterschaltelement, sowie eine Ansteuerschaltung zu dessen Ansteuerung aufweist. Insbesondere bei Schaltnetzteilen ist es zweckmäßig, das Halbleiterschaltelement und die Ansteu­ erschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.
Solche Module wurden bisher unter anderem in Hybridtechnik ausgeführt, die meist bipolare Schalttransistoren und Ansteuerschaltungen auf Keramiksubstrat in einem großen Leistungsgehäuse vorsehen. Das Problem bei diesen Lösungen ist, daß die Kombinationen wegen des großen Leistungsgehäuses oftmals teurer als die Einzelkom­ ponenten sind.
Es sind monolithische Kombinationen bekannt geworden, bei denen jedoch zwei unterschiedliche Technologieanforderungen im Modul integriert werden mußten, das zu ungünstigen Lösungen führte. So ist beispielsweise die Herstellungstechnologie für das Halb­ leiterschaltelement, das an sich nur wenige Herstellungsmasken braucht, von seiner Struktur her nicht geeignet mit einer An­ steuerschaltung mit einer Vielzahl von Transistoren auf klein­ ster Chipfläche kombiniert zu werden. Schwierigkeiten ergeben sich bei dieser Lösung vor allem auch hinsichtlich der thermi­ schen und spannungsmäßigen Entkopplung von Halbleiterschalt­ element und Ansteuerschaltung.
Eine wirtschaftliche Lösung für Schaltnetzteile der Leistungs­ klasse 20 bis 100 Watt unter Verwendung billiger IC-Gehäuse ist bisher nicht bekannt geworden.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 18 00 213 ist ein Modul für integrierte Halbleiterschaltungen gezeigt, das eine integrierte Festkörperschaltung sowie zwei Leistungstransi­ storen auf jeweils getrennten Zuleitungen enthält. Die Zulei­ tungen für die Leistungstransistoren weisen zur besseren Wärmeableitung eine wesentlich größere Breite auf als die Zuleitung für die Festkörperschaltung. Wegen der unterschied­ lichen Breite der Außenanschlüsse liegt kein standardgemäßes DIP-Gehäuse vor.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 25 534 A1 sind ein Modul für eine Leistungsbauelement und eine Ansteuerschaltung gezeigt, die potentialmäßig voneinander getrennt angeordnet sind. Hierzu ist die Ansteuerschaltung auf einer Metallplatte befestigt, das Leistungsbauelement auf einem Plättchen. Das Plättchen ist auf der Metallplatte angeordnet und durch eine Isolierung von deren Oberfläche elektrisch getrennt. Das Plättchen ist über ein Verbindungsstück mit zwei Außenan­ schlüssen verbunden.
In den deutschen Offenlegungsschriften DE 32 12 442 A1 und DE 27 47 393 A1 ist jeweils ein Gehäuse für ein Halbleiter­ leistungsbauelement gezeigt, bei dem das Bauelement auf einer Metallfläche angeordnet ist, die mit zwei bzw. mehreren Außenanschlußstiften in Verbindung steht. Die Außenanschluß­ stifte weisen in ihren Anschlußbereichen gleiche Abmessungen auf, so daß ein standardgemäßes DIP-Gehäuse vorliegt.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 21 460 A1 ist ein Leistungs­ halbleiterbauelement mit einer Temperatursicherung beschrie­ ben. Die Temperatursicherung ist auf dem Substrat des Lei­ stungsbauelements integriert.
In der Literaturstelle ELO: "Schutz für Leistungstransisto­ ren", 6/1988, Seiten 78 bis 80 ist ein als Temperatur­ sicherung dienender NTC-Widerstand beschrieben, der auf dem Kühlkörper eines Halbleiterleistungsbauelements befestigt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es als standardgemäßes Modul ausgeführt ist, eine gute Wärmeableit­ fähigkeit aufweist und vor Überhitzung sicher arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che.
Der Gegenstand der Erfindung umfaßt in einem Gehäuse des Moduls einen mit zwei voneinan­ der potentialmäßig getrennte Montageflächen aufweisenden metal­ lischen Trägerkörper sowie einen Chip eines Halbleiter­ schaltelementes und einen Chip einer Ansteuerschaltung. Dabei sitzt die Bezugspotentialfläche des Chips des Halb­ leiterschaltelementes elektrisch leitend auf der ersten Monta­ gefläche auf, die zur Wärmeableitung möglichst großflächig und mit mindestens einem Anschluß einstückig ausgebildet ist. Auf der zweiten Montagefläche sitzt das Chip der Ansteuerschaltung auf. Die extern zugänglichen Anschlüsse des Moduls sind inner­ halb des Gehäuses mit Klemmen der Ansteuerschaltung sowie des Halbleiterschaltelementes verbunden. Ein weiterer Trägerkörper, insbesondere ein Keramiksubstrat, ist nicht notwendig.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, an die Anschlüsse der ersten Montagefläche einen Kühlkörper zur ver­ besserten Wärmeableitung anzuordnen. Dieser Kühlkörper kann ent­ weder angesteckt oder mit den Anschlüssen der ersten Montageflä­ che fest verbunden sein.
Das Gehäuse des Moduls wird mit seinen Anschlüssen nach einer vorgegebenen Gehäusenorm DIP 18, DIP 20 oder ähnlich ausgebildet. Auf diese Weise kann ein platz­ sparender Aufbau von Miniaturschaltnetzteilen ermöglicht wer­ den, der z. B. für Steckernetzteile, Videorekorder oder Camkor­ der ohne Kühlkörper bis zu einer Leistung von 30 bis 50 Watt verwendbar ist. Eine verbesserte Wärmeableitung kann durch den bereits erwähnten von extern an das Modul anschließbaren Kühl­ körper ermöglicht werden, so daß Leistungen des Schaltnetz­ teiles bis zu 100 Watt möglich sind.
Die wesentlichsten Vorteile der erfindungsgemäßen Ausbildung des Moduls bestehen in folgenden Punkten:
  • - Hochspannungstrennung von Ansteuerschaltung und Halbleiter­ schaltelement,
  • - niedriger thermischer Widerstand zwischen dem Chip des Halb­ leiterschaltelementes und der Leiterbahn der gedruckten Schaltung, auf dem das Modul montiert ist,
  • - eine gute Flexibilität, indem verschiedene Chipgrößen des Halbleiterschaltelementes im Modul einsetzbar sind,
  • - die Möglichkeit der Montage des Moduls auf normalen IC-Fer­ tigungslinien, auf denen auch der mit den Chips des Halblei­ terschaltelementes und der Ansteuerschaltung versehene Trä­ gerkörper mit Kunststoff umspritzt werden kann und
  • - die Verwendung eines billigen Normgehäuses für anwendungs­ freundliche und automatengerechte Montage beim Kunden.
Als besonders vorteilhaft hat sich beim erfindungsgemäßen Modul die Verwendung von unterschiedlichen Chips des Halbleiterschalt­ elementes sowie der Ansteuerschaltung herausgestellt. Damit wird erreicht, daß das Halbleiterschaltelement und die Ansteu­ erschaltung nach unterschiedlichen Technologien wie gewohnt her­ gestellt und diese Chips dann auf den dafür vorgesehenen Monta­ geflächen des Trägerkörpers plaziert werden können. Dadurch wird ein Höchstmaß an Flexibilität der in das Modul integriert baren Chips von Halbleiterschaltelement und Ansteuerschaltung gewährleistet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier als bevorzug­ te Ausführungsbeispiele zu wertenden Figuren näher erläutert. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Modules,
Fig. 2 eine Aufsicht auf ein Modul nach Fig. 1 mit Kühlkörper,
Fig. 3 eine Seitenansicht zu Fig. 2,
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Modules.
In Fig. 1 ist ein metallischer Trägerkörper 25 dargestellt, der eine erste Montagefläche 23 und eine zweite Montagefläche 24 so­ wie eine Vielzahl von Anschlüssen 1 bis 18, auch Pins genannt, aufweist. Die in Fig. 1 dargestellte Struktur des Trägerkörpers 25 ist zweckmäßigerweise durch Heraustrennen von Metallteilen, beispielsweise Ausstanzen, aus einem gemeinsamen Metallband er­ folgt und erlaubt eine in Fig. 1 beispielhaft gewählte DIP 18-Gehäusenorm. Die erste Montagefläche 23 ist von der zweiten Montagefläche 24 potentialmäßig getrennt, hierdurch deren zwei­ stückige und einen Abstand voneinander aufweisende Ausbildung. An die erste Montagefläche 23 sind darüber hinaus weitere An­ schlüsse, hier die Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 einstückig an­ geformt. Weiterhin sitzt auf der ersten Montagefläche 23 ein Klemmen bzw. Kontaktpads 30, 31 aufweisendes Chip 21 des Halb­ leiterschaltelementes mit seiner Bezugspotentialfläche elek­ trisch leitend auf. Dazu kann das Chip 21 des Halbleiterschalt­ elementes, das bevorzugt ein Leistungs-MOS-FET ist, entweder mit der ersten Montagefläche 23 elektrisch leitend verklebt oder verlötet sein. Bei einem Leistungs-MOS-FET ist die Bezugs­ potentialfläche zugleich der Drainanschluß des Halbleiterschalt­ elementes. Der Sourceanschluß ist mit der Klemme 30 und der Gateanschluß mit der Klemme 31 des Chips 21 versehen. Über eine elektrische Verbindung 50, die bei hohen Strömen aus parallel geschalteten Bonddrähten gebildet sein kann, ist die Klemme 30 des Chips 21 des Halbleiterschaltelementes an einen Anschluß 15 des Moduls angeschlossen. Die Klemme 31 und damit der Gatean­ schluß des Chips 21 des Halbleiterschaltelementes ist ebenfalls über eine elektrische Verbindung 51 an einen anderen Anschluß 5 des Moduls elektrisch leitend angeschlossen. Die Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 sind mit dem Bezugspotential, hier also dem Drainanschluß, des Halbleiterschaltelementes durch deren ein­ stückige Ausbildung mit der ersten Montagefläche 23 verbunden.
Auf der zweiten Montagefläche 24 des Trägerkörpers 25 sitzt ein mit Klemmen 40 bis 47 versehenes Chip 22 einer Ansteuer­ schaltung auf. Zweckmäßigerweise ist das Chip 22 der Ansteuer­ schaltung mit einer Anschlußfläche auf die zweite Montagefläche 24 elektrisch leitend geklebt oder gelötet. Ein Anschluß 14 des Moduls ist mit dieser Anschlußfläche des Chips 22 der Ansteuer­ schaltung elektrisch leitend verbunden. In diesem Ausführungs­ beispiel ist der Anschluß 14 einstückig an die zweite Montage­ fläche 24 des Trägerkörpers 25 angeformt.
Die Klemmen 40 bis 47 des Chips 22 der Ansteuerschaltung sind über elektrische Verbindungen 52, hier Bonddrähte, mit den An­ schlüssen 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 elektrisch leitend verbunden. Diese bisher beschriebene Anordnung ist von einem Gehäuse 20 umgeben. Aus dem Gehäuse ragen lediglich die An­ schlüsse 1 bis 18, über die der Anwender des Moduls Zugang zu den Klemmen der Chips 21, 22 des Halbleiterschaltelementes sowie der Ansteuerschaltung hat. Vorzugsweise ist das Gehäuse 20 und die Anschlüsse 1 bis 18 nach einer Gehäusenorm, bei­ spielsweise DIP 18, DIP 20 oder ähnlichem, ausgeführt.
Es ist selbstverständlich auch möglich, notwendige elektri­ sche Verbindungen zwischen den Klemmen des Chips 21 des Halb­ leiterschaltelementes und den Klemmen des Chips 22 der Ansteu­ erschaltung bereits innerhalb des Gehäuses 20 des Modules vor­ zusehen. Dazu kann beispielsweise eine elektrische Verbindung zwischen der Klemme 31, also dem Steueranschluß des Halblei­ terschaltelementes, und einem oder mehrerer der Klemmen des Chips 22 der Ansteuerschaltung vorgesehen sein.
Beim Herstellen eines solchen Modules werden folgende Her­ stellungsschritte durchlaufen:
  • 1. Herstellung des Trägerkörpers durch Heraustrennung von Metallteilen aus einem Metallband, wobei die Anschlüsse sowie Montageflächen des Trägerkörpers von in Fig. 1 nicht dargestellten Metallstegen gehaltert werden,
  • 2. Bestückung der ersten und zweiten Montagefläche 23, 24 mit den Chips 21, 22 des Halbleiterschaltelementes sowie der Ansteuerschaltung,
  • 3. elektrisches Verbinden der Anschlüsse 1 bis 18 mit den Klemmen 30, 31, 40 bis 47 der Chips 21, 22 des Halbleiter­ schaltelementes sowie der Ansteuerschaltung,
  • 4. Umspritzen des Trägerkörpers 25 mit Kunststoff zur Bildung eines Gehäuses 20,
  • 5. Entfernung der Metallstege und
  • 6. Biegen der extern aus dem Gehäuse ragenden Anschlüsse, vor­ zugsweise in eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Moduls.
Zweckmäßigerweise werden eine Vielzahl von Trägerkörpern auf einem gemeinsamen Metallband gebildet, so daß ähnlich der TAB-Version (tape automated bonded) von Bauelementen in der SMD(surface-mounted-device)-Technik eine automatengerechte Herstellung auf IC-Fertigungslinien ermöglicht wird.
Durch die möglichst großflächige Ausführung der ersten Monta­ gefläche 23 und der einstückigen Anformung der Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 sowie der großflächigen Verbindung zwischen Be­ zugspotentialfläche des Chips 21 des Halbleiterschaltelementes und der ersten Montagefläche 23 wird eine gute Wärmeableitung im Modul ermöglicht. Wird das in Fig. 1 beschriebene Modul in einer Leiterplatte für ein Schaltnetzteil mit großflächig aus­ geführter Drainverbindung eingesetzt, so können 1 bis 2 Watt Verlustleistung abgeführt werden, was Schaltnetzteile mit einer Ausgangsleistung von 30 bis 50 Watt erlaubt.
Will man Schaltnetzteile mit höheren Ausgangsleistungen reali­ sieren, so kann ein eigener Kühlkörper nach Fig. 2 und 3 vorge­ sehen werden. In Fig. 2 ist die Aufsicht auf ein Modul nach Fig. 1 mit einem extern angeordneten Kühlkörper 70 dargestellt. In Fig. 3 ist die dazugehörende Seitenansicht dargestellt. Der Kühl­ körper 70 sitzt so auf dem Modul auf, daß er die Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 berührt. Der Kühlkörper kann entweder aufsteck­ bar ausgeführt sein oder auf die genannten Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 aufgelötet werden. Der Kühlkörper 70 ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet und mit einer Lasche 71 versehen, die auf der Oberseite, hier eine Hauptfläche 60, des Gehäuses 20 des Modules zur verbesserten Wärmeableitung aufsitzt. Der Kühlkör­ per 70 ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich mit Lötspit­ zen 81, 82, 83, 87 und 88 versehen, die ebenfalls in die Mon­ tagelöcher für die Anschlüsse 1, 2, 3, 17 und 18 einsteckbar sind und gemeinsam mit diesen verlötet werden. Durch diese Aus­ bildung des Kühlkörpers 70 ergibt sich eine problemlose Löttech­ nik. Am oberen Ende ist der Kühlkörper 70 bevorzugt geschlitzt ausgeführt um eine noch bessere Wärmeableitung zu erhalten. Mit einem solchen Kühlkörper 70 und großflächigem Drainanschluß des Halbleiterschaltelementes lassen sich 2 bis 4 Watt Verlustlei­ stung abführen, was schließlich Schaltnetzteile mit einer Aus­ gangsleistung von bis zu 100 Watt ermöglicht.
In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Modules dargestellt. Die bereits bekannten Bezugszei­ chen werden für gleiche Teile weiterverwendet. Im Unterschied zu Fig. 1 ist jetzt neben einer anderen Anschlußbelegung des Moduls der Trägerkörper 25 hinsichtlich der ersten Montage­ fläche 23 und der daran einstückig angeformten Anschlüsse 6, 7, 8, 9, 10 und 11 modifiziert. Der Trägerkörper 25 weist jetzt eine Metallfläche 90 auf, die die erste Montagefläche 23 bein­ haltet, sich jedoch jetzt einerseits ins Richtung der Anschlüsse 6 bis 9 und andererseits in Richtung der Anschlüsse 10 und 11 des Moduls über den Gehäuserand des Moduls hinaus erstreckt. Durch diese große Metallfläche 90 wird die Wärmeableitung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Moduls weiter verbessert.
Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, daß das Chip 22 der Ansteuerschaltung eine in den Figuren zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellte integrierte Temperatursi­ cherung aufweist. Durch die Anordnung des Chips 22 der Ansteu­ erschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse 20 mit dem Chip des Halbleiterschaltelementes wird eine thermische Verkopplung er­ reicht, womit eine Überschreitung der Ausgangsleistung dann von der Temperatursicherung des Chips 22 der Ansteuerschaltung er­ faßt und das Schaltnetzteil abgeschaltet wird. Dies dient zu einer zusätzlichen Langzeit-Leistungsbegrenzung, die auch die Betriebszustände des Schaltnetzteiles schützt, die von einer möglichen Drainstrom-Nachbildung oder direkten Drainstrom-Mes­ sung, die zum Schutz des Schaltnetzteils allgemein üblich ist, nicht erfaßt werden.

Claims (10)

1. Modul mit den Merkmalen:
  • (a) das Modul enthält mindestens ein Halbleiterleistungs­ bauelement (21), eine Halbleiteransteuerschaltung (22) sowie ein Gehäuse (20), das eine Vielzahl von extern zugänglichen Anschlüssen (1 . . . . 18) aufweist,
  • (b) das Modul enthält einen einen ersten Teil für eine erste Montagefläche (23) und einen zweiten Teil für eine zweite Montagefläche (24) aufweisenden metalli­ schen Trägerkörper (25),
  • (c) die ersten und zweiten Teile sind in einer Ebene zu­ einander angeordnet,
  • (d) die erste und zweite Montagefläche (23, 24) sind po­ tentialmäßig voneinander getrennt angeordnet,
  • (e) die potentialmäßige Trennung der ersten und zweiten Montagefläche (23, 24) ist durch eine nicht berührende Anordnung des ersten und zweiten Teils erreicht,
  • (f) Kontaktanschlüsse (30, 31, 40 . . . 47) des Halbleiterbauelements (21) und der Halbleiteransteuerschaltung (22) sind über elektrische Verbindungen (50) mindestens teil­ weise mit den Anschlüssen (1 . . . 18) des Moduls verbun­ den,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (g) die erste Montagefläche (23) zur verbesserten Wärmeab­ leitung mit mehreren Anschlüssen (1, 2, 3, 17, 18) einstückig ausgebildet ist,
  • (h) auf der ersten Montagefläche (23) ein als Halbleiter­ leistungsbauelement (21) vorgesehener MOS-Transistor mit seinem Drainanschluß elektrisch leitend aufsitzt,
  • (i) auf der zweiten Montagefläche (24) eine Schaltnetz­ teilansteuerschaltung (22) aufsitzt,
  • (j) das Modul als DIP-(Dual-Inline-Package)-Modul ausge­ führt ist, bei dem die Abschlüsse (1 . . . 18) außerhalb des Gehäuses (20) jeweils die gleichen Abmessungen aufweisen,
  • (k) die Schaltnetzteilansteuerschaltung (22) eine auf ihrem Halbleiterkörper integrierte Temperatursicherung zum Abschalten der Ansteuerung des MOS-Transistors (21) aufweist.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gehäuse (20) ragenden Anschlüsse (1 . . . 18) L-förmig ausgebildet sind und mit ihren einen Enden in je­ weils gleiche Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche (60) des Moduls weisen.
3. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (70) vorgesehen ist, der an den ein­ stückig mit der ersten Montagefläche (23) ausgebildeten Anschlüssen zur Wärmeableitung aufsitzt.
4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (70) an die einstückig mit der ersten Montagefläche (23) ausgebildeten Anschlüsse (1, 2, 3, 17 und 18) aufsteckbar ist.
5. Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (70) zur verbesserten Wärmeableitung eine Lasche (71) aufweist und diese Lasche (71) auf dem Modul aufliegt.
6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Montagefläche (23) innerhalb einer Metall­ fläche (90) angeordnet ist, die sich zur verbesserten Wär­ meableitung über den Rand des Gehäuses (20) erstreckt.
7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Trägerkörper (25) sowie die Anschlüsse (1 . . . 18) aus einem gemeinsamen Metallband durch Heraus­ trennen von Metallteilen gebildet sind.
8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen (50, 51, 52) zwischen den Kontaktanschlüssen (31, 40 bis 47) und den Anschlüsse (1 . . . 18) des Moduls durch Bonddrähte gebildet sind.
9. Verwendung eines Moduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Schaltnetzteil.
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