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DE3241508A1 - Leistungstransistor-modul - Google Patents

Leistungstransistor-modul

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Publication number
DE3241508A1
DE3241508A1 DE19823241508 DE3241508A DE3241508A1 DE 3241508 A1 DE3241508 A1 DE 3241508A1 DE 19823241508 DE19823241508 DE 19823241508 DE 3241508 A DE3241508 A DE 3241508A DE 3241508 A1 DE3241508 A1 DE 3241508A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
housing
power transistor
ceramic plate
metallization
transistor module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19823241508
Other languages
English (en)
Other versions
DE3241508C2 (de
Inventor
Klaus 6520 Worms Bunk
Hubert 6832 Hockenheim Hettmann
Bernd Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Leukel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IXYS Semiconductor GmbH
Original Assignee
Brown Boveri und Cie AG Germany
BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Brown Boveri und Cie AG Germany, BBC Brown Boveri AG Germany filed Critical Brown Boveri und Cie AG Germany
Priority to DE19823241508 priority Critical patent/DE3241508A1/de
Priority to FR8317799A priority patent/FR2535898A3/fr
Priority to JP58209260A priority patent/JPS5999753A/ja
Publication of DE3241508A1 publication Critical patent/DE3241508A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3241508C2 publication Critical patent/DE3241508C2/de
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Description

B R O WN , B O V E R I & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Mannheim 8. Nov. 1982
Mp.-Nr. 654/82 ZPT/P3-Pn/Bt 10
Leistungstransistor-Modul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungstransistor-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Leistungstransistor-Module sind allgemein bekannt. Sie besitzen vielfach eine massive Kupferplatte als Gehäuseboden, die mit der entsprechend vorbehandelten Keramikplatte verlötet oder verklebt ist. Auch die strukturierten Metallisierungen auf der dem Gehäuseinne-
2g ren zugewandten Seite der Keramikplatte sind meist aufgelötet. Derartig aufgebaute Leistungstransistor-Module sind aufwendig und teuer in der Herstellung und haben wegen der drei notwendigen Lotschichten des Aufbaues Leistungs'transistor-Lotschicht-Metallisierung-Lot-'30 schicht-Keramikmetallisierung-Keramikplatte-Lotschicht-Kupferbodenplatte einen-relativ hohen Wärmewiderstand. Hierdurch ist die thermische Belastbarkeit der Module stark eingeschränkt.
3g Andere bekannte Aufbauten haben nur eins Dickschichtmetallisierung direkt auf die Keramik aufgebracht; Dadurch
BADÖBIGINÄI
wird zwar...eine Lotschicht eingespart, jedoch ergeben sich wegen der fehlenden Wärmespreizung ebenfalls sehr hohe Wärmewiderstände.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun-
de, ein Leistungstransistor-Modul der eingangs genannten Art anzugeben, das einen sehr niedrigen Wärmewiderstand = aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch die direkte Verbindung von Me-
1g tallisierung und Keramikplatte, z.B. gemäß den Verfahren nach Patentanmeldungen P 30 36 '128.5 oder P 32 04 167-5, der Wärmewiderstand zwischen Leistungstransistor und Kühlkörper gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich verringert wird. Dies wird erreicht durch die Verbindung · der Metallisierung mit der Keramikplatte ohne Zwischenschicht und durch Wärmespreizung in der Metallisierung. Die äußere ganzflächige Metallisierung erhöht die mechanische Belastbarkeit des Keramiksubstrats, in dem sie die Bruchgefahr bei der Montage und im Betrieb verringert. Die Leistungstransistoren, Dioden und Anschlußelemente sind so angeordnet, daß sie in einem Arbeitsgang aufgelötet und anschließend über Verbindungsdrähte kontaktiert werden können, was eine preiswerte Herstellung ermöglicht. Desweiteren ist es möglich, die Halbleiterbauelemente beim Lötvorgang mit Kontaktbügeln zu kontaktieren.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich-
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
O ■ -■' ■■'■■'■■■.:.-·
nungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen: .
einen Schnitt durch eine erste Variante eines Leistungstransistor-Moduls, eine Aufsicht auf das aufgeschnittene Modul nach der ersten Variante,
einen Schnitt durch eine zweite Variante eines Leistungstransistor-Moduls, eine Aufsicht auf das aufgeschnittene Modul nach der zweiten Variante
die interne Verschaltung der zweiten Variante, die interne Verschaltung einer dritten Variante.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erste Variante eines Leistungstransistor-Moduls dargestellt. Das Modul besitzt einen oben und unten offenen Kunststoff-Rahmen 1, der als Gehäusewandung dient. An zwei Seiten weist -
2Q der Jtahmen 1 in Höhe der Bodenfläche Befestigungslaschen ° nuf. Die eine der Befestigungslaschen 2" ist mit einer Bohrung 3 und die andere der Laschen mit einer U-förmigen Ausnehmung 4 versehen. Bohrung 3 und U-formige Ausnehmung 4 dienen zur Montage des Leistungstransistor-Mo-
duls auf einem Kühlkörper. ·'
Das Gehäuse des Leistungstransistor-Moduls wird zum einen durch den Rahmen 1, zum anderen durch eine in eine umlaufende Vertiefung der Bodenfläche des offenen Rähmens 1 aufgesetzte, elektrisch isolierende Keramikplatte 5 (z.B. aus AI2O3, BeO, SiC) gebildet. Zur -Verbesserung.--.: des Wärmedurchganges kann die Keramikplatte 5 sehr dünn ausgebildet werden (Dicke ab ca. 0,5mm). Sie weist elektrisch gut leitende Metallisierungen 6a,b,c auf ihrer dem Gehäuseinneren zugewandten Fläche auf (6a = Emitter-Metallisierung, 6b = Kollektor-Metallisierung,
654/82
6c = Basis-Metallisierung). Diese Metallisierungen werden beispielsweise durch Kupferfolien realisiert, die gemäß den aus den Patentanmeldungen P 30 36 128.5 oder P 32 04 167.5 bekannten Verfahren direkt ohne Zwischenschichten (Lot und Keraraikmetallisierung) auf die Keramikplatte 5 aufgebracht sind. Die Metallisierungen 6a,b,c dienen als Leiterbahnen und Kontaktflächen zum Auflöten von extern zugänglichen Anschlußelementen, Leistungstransistoren und internen Verbindungen und als Wärmespreizer für den Leistungstransistor. Um eine Wärmespreizung zu ermöglichen, weist insbesondere die Kollektor-Metallisierung 6b eine größere Fläche auf als die Fläche der aufzulötenden Leistungstransistoren.
Zur mechanischen Stabilisierung der Keramikplatte 5 ist eine Metallisierung 7 ebenfalls gemäß dem Verfahren nach Patentanmeldung P 30 26 128.5 oder P 32 04 167.5 direkt auf die dem Gehäuseinneren abgewandten Seite der Keramikplatte 5 aufgebracht. Die Stärke der Metallisierung 7, vorzugsweise ebenfalls eine Kupferfolie, entspricht der Stärke der Metallisierungen 6a,b,c. Dadurch werden Verspannungen, die sich infolge der Herstellprozesse und der einseitigen Lötprozesse auf der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite der Keramikplatte 5 ergeben, wirksam verhindert. Desweiteren ermöglicht die Metallisierung 7 einen guten Wärmekontakt zu einem mit dem Modul verbundenen Kühlkörper. Auch ist die Gefahr von Keramikbrüchen bei der Montage und während des Betriebes infolge unebener und verschmutzter Kühlkörper wesentlich geringer.
Der Rahmen 1 und die Keramikplatte 5 werden miteinander verklebt. Zur genauen Fixierung der Platte 5 weist der Rahmen 1 die bereits erwähnte umlaufende Vertiefung in seiner Bodenfläche auf, deren Tiefe höchstens der Gesamt-Dicke der Keramikplatte 5 und der Metallisierung 7 entspricht. Eine in dieser Vertiefung des Rahmens 1
vorgesehene umlaufende Nut 8 dient beispielsweise zur Aufnahme von austretendem Klebstoff. Der überschüssige Klebstoff wandert in die Nut 8 und quillt nicht über den Rand der Keramikplatte 5 auf die Kühlfläche, was den Wärmeübergang zum Kühlkörper beeinträchtigen würde.
Mit der Emitter-Metallisierung 6a ist ein großflächiges Fußteil 9 eines Emitter-Flachsteckers 10 über eine Lotschicht 11 verbunden. Der mit Einkerbungen versehene Flachstecker 10 ist auf der-Oberseite des Gehäuses frei zugänglich. Das vergrößerte Fußteil' 9 dient zur mechanischen Stabilisierung der Lötstelle auf der Metallisierung 6a. An das Fußteil 9 schließt sich eine Abwinkelung und daran ein Dehnungsbogen 10 an (siehe hierzu Ausfüh- · rungsbeispiel gemäß Fig. 3). Der Dehnungsbogen geht in seinem oberen Ende in den eigentlichen Steckanschluß über. Der Dehnungsbogen ist in seinem Querschnitt kleiner als die Querschnitte des oberen Steckanschlusses und des unteren Fußteiles 9 und gleicht Zugspannungen auf die Lötverbindung zwischen Fußteil 9 und Metallisierung 6a der Keramikplatte 5 aus.
Mit der Metallisierung 6c ist ein Basis-Flachstecker 12 sowie mit der Metallisierung 6b ein Kollektor-Flach-
2g stecker (in Fig. 2 mit 17 bezeichnet) verbunden. Der Basis-Flachstecker 12 weist ebenfalls ein vergrößertes Fußteil 13 auf und ist zur Vermeidung von Anschlußfehlern (Vertauschung der Anschlüsse) schmaler als der Emitter- und der Kollektor-Flachstecker ausgeführt. Ansonsten sind die drei Anschlußstecker gleichartig aufgebaut. -.--.-"■
Mit der Metallisierung 6b ist (sind) ein (bzw. mehrere) Leistungstransistor(en) 14 verlötet. Im Ausführungsbei-3g spiel sind zwei parallel geschaltete Transistoren 14 angeordnet, wie Fig. 2 zeigt. Dabei wird die Kollektor-.
* rf W
654/82 O β
elektrode der als Silizium-Chip gestalteten Transistoren 14 mit der Kollektor-Metallisierung 6b verlötet, während die Emitter- bzw. Basis-Anschlüsse der Transistoren 14 über Aluminium- oder Kupferdrähte (in Fig. 2 mit 18 bezeichnet) mit den Emitter- bzw. Basis-Metallisierungen 6a bzw. 6c verbunden werden.
. Das mit der Keramikplatte 5 verklebte und mit den Flachsteckern und Transistoren bestückte und verschaltete Gehäuse wird in seinem unteren Teil "mit einer weichen Vergußmasse 15 (z.B. Silikonkautschuk) zum Schutz der empfindlichen Aktivteile vergossen und zwar ist der erwähnte Dehnungsbogen der Flachstecker voll-mit der weichen Vergußmasse 15 vergossen. Das Verschließen des Ge-
^g häuses erfolgt mit einer harten Vergußmasse 16 (z.B.
Epoxidharz). Durch die harte Vergußmasse 16 werden insbesondere die Flachstecker über ihre Einkerbungen mechanisch stabilisiert.
In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf das aufgeschnittene Modul der ersten Variante dargestellt. Insbesondere sind die an den Rahmen 1 angeformten Befestigungslaschen 2 mit Bohrung 3 und U-förmiger Ausnehmung 4 erkennbar. Desweiteren sind die Strukturen der Metallisierungen 6a,b,c auf der Innenseite der Keramikplatte 5 mit den aufgelöteten Flachsteckern 10,17,12 der beiden Leistungstransistoren 14 und den Drähten 18 zwischen Basis-Metallisierung 6b und Transistor-Basis sowie zwischen Emitter-Metallisierung 6a und Transistor-Emitter ersichtlich.
Bei der Herstellung des Moduls werden die Flachstecker 10,12,17 und die Transistoren 14 in einem Arbeitsgang auf die metallisierte Keramikplatte 5 aufgelötet. Für die Lötvorgänge sind die Metallisierungen 6a,b,c entsprechend vorbehandelt, vorzugsweise vernickelt. Im
* Ι» ψ Λ
654/82 3 χ
nachfolgenden Schritt werden die Verbindungsdrähte 18 zwischen den Emitter- bzw. Basis-Elektroden der Transistoren 14 und den Metallisierungen 6a bzw. 6c auf der Keramikplatte 5 durch Ultraschallbonden, Löten oder Punktschweißen angebracht. Es werden vorzugsweise Aluminiumdrähte mit 0,2 bis 0,5mm Durchmesser eingesetzt.
Alternativ hierzu können die Flachstecker-Anschlüsse auch erst nach dem Ultraschallbonden der Drähte 18 angelötet werden, falls dies aus Gründen des Platzes und der ZugängHchkeit für das Ultraschall-Bondwerkzeug erforderlich ist. Falls notwendig, können danach weitere Hilfsverbindungen hergestellt werden.
Alle folgenden Fertigungsschritte fallen in den Bereich der Kapselung. Zunächst wird die Keramikplatte 5 mit den aufgelöteten Teilen in die untere Öffnung des Rahmens 1 eingeklebt. Anschließend wird das Innere des Gehäuses mit den Vergußmassen aufgefüllt.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine zweite Variante eines Leistungstransistor-Moduls dargestellt. Bei diesem Modul sind als Hauptanschlüsse ein Emitter-Anschluß, ein Kollektoranschluß sowie ein Freilaufdiodenanschluß und als Hilfsanschlüsse ein Basisanschluß sowie ein Hilfsemitteranschluß vorgesehen. Im Modul ist neben dem Transistor eine Freilaufdiode integriert, wobei die Kathode der Diode intern mit dem Emitter des Transistors verbunden ist. Auch dieses Modul besitzt einen oben und unten offenen Rahmen 19 mit seitlich angeformten Befestigungslaschen 20, die Bohrungen 21 zur Befestigung des Moduls auf einem Kühlkörper aufweisen. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität des Moduls sind Versteifungskanten 22 zwischen Befestigungslaschen 20 und Rahmen 19 vorgesehen. In das Bodenteil des Rahmens 19 ist wiederum eine Keramikplatte 23 eingeklebt. Die Keramikplatte 23
SAD ORIGINAL
654/82 10 -β
weist eine Emitter-Metallisierung 24a, eine zu Zwecken der Wärtnesprelzung verbreiterte Kollektor-Metallisierung 24b, eine Basis-Metallisierung 24c (siehe hierzu Fig. 4) sowie eine Freilaufdioden-Metallisierung 24d auf ihrer dem Gehäuseinneren zugewandten Seite auf. Die dem Gehäuseinneren abgewandte Seite der Keramikplatte 5 ist mit einer Metallisierung 25 versehen.
Die Hauptanschlüsse des Moduls, d.h. Emitter-, Kollektor- und Freilaufdiodenanschluß sind mit den Ziffern 26, 27 und 28 sowie die Hilfsanschlüsse, d.h. Hilfsemitter- und Basisanschluß mit den Ziffern 29 und 30 bezeichnet (siehe Fig. 4). Jeder der Anschlüsse besitzt ein vergrößertes Fußteil 31 zur Verlötung mit den entsprechenden Metallisierungen. Die Lotschicht ist dabei mit 32 bezeichnet. An das verbreiterte Fußteil 31 schließen sich eine Abwinkelung mit Dehnungsbogen 33 an. Die Hauptanschlüsse weisen in Höhe der Gehäuseoberkante eine Abwinkelung mit Gewindebohrung 34 zur Bildung von Schrauban-2Q Schlüssen auf. Die Hilfsanschlüsse sind im Unterschied hierzu als Flachstecker 35 ausgebildet.
Das Modul besitzt drei parallelgeschaltete Leistungstransistoren 36, deren Kollektorelektroden jeweils mit den Kollektormetallisierungen 24b verlötet sind. Desweiteren sind zwei parallelgeschaltete Freilaufdioden 37 vorgesehen, deren Kathoden mit der Emitter-Metallisierung 24a verlötet sind. Zum Anschluß der Anoden der Dioden 37 an die Freilaufdioden-Metallisierung 24d dienen Verbindungsdrähte 38 oder gelötete Kontaktbügel. Zum Verschluß des Gehäuses werden wiederum eine weiche Vergußmasse 39 sowie eine harte Vergußmasse 40 verwendet.
In Fig. 4 ist eine Aufsicht auf das aufgeschnittene Modul der zweiten Variante dargestellt. Daraus sind insbesondere der schmale, rechteckförmige Rahmen 19 mit den
ORIGIMÄL
654/82 ^ ■ tf
angeformten Befestigungsläschen 20 und den Versteifungskanten 22 ersichtlich. Desweiteren ist die Struktur der Metallisierungen auf der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite der Keramikplatte 23 zu erkennen. Zum Anschluß der Emitter- bzw. Basiselektroden der Transistoren 36 an die schmale Emitter- bzw. Basis-Metallisierung 24a bzw. 24c dienen die Verbindungsdrähte 38. Weitere Verbindungsdrähte 38 sind zwischen der Freilaufdioden-Metallisierung 24d und den Anoden der Dioden 37 vorgesehen.
Fig. 5 zeigt die interne Verschaltung der Variante gemäß den Figuren 3 und 4.
Fig. 6 zeigt die interne Verschaltung einer dritten Variante. Diese Variante entspricht in ihrem konstruktiven Aufbau der Variante gemäß den Figuren 3 und 4, bei der internen elektrischen Verschaltung sind jedoch die Kathoden der Freilaufdioden 37 mit dem Anschluß 28 und die Anoden mit den Kollektoren der Leistungstransistoren 36 sowie mit dem Anschluß 27 verbunden.
Module mit den Schaltungen gemäß Fig. 5 und 6 werden paarweise zum Aufbau von Transistor-Halbbrücken benötigt. Die gezeigte Reihenfolge der nach außen geführten Anschlüsse ermöglicht eine einfache Zusammenschaltung durch Verschienen.
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Leerseite

Claims (7)

  1. 654/82 >θ
    A. η S ρ r ü c he
    rl J Leistungstransistor-Modul mit einem oben und
    unten offenen Rahmen als Gehäusewandung und einer Keramikplatte als Gehäuseboden, wobei die Keramikplatte auf ihrer· dem Gehäuseinneren zugewandten Seite eine strukturierte Metallisierung aufweist, die zum Verlöten mit
    Leistungstransistoren, Dioden, internen Verbindungen und extern auf der Oberseite des Gehäuses zugänglichen Anschlußelementen dient, ge ennzeichnet durch folgende Merkmale:
    •jg -. die dem Gehäuseinrieren zugewandte Metallisierung
    (6a,b,c,24a,b,c,d) ist direkt mit der Keramikplatte (5,23) verbunden und ist großflächiger als die Löt-. fläche der Halbleiterbauelemente, die dem Gehäuseinneren abgewandte Seite der Keramikplatte (5,23) ist ebenfalls mit einer Metallisierung (7,25) von gleicher Stärke wie die innere Metallisierung direkt verbunden, ein Hauptanschluß und der Steueranschluß der Leistungstransistoren (14,36) sind über Verbindungsdrähte (18,38) mit den entsprechenden inneren Metallisierungen (6a,c,24a,c) verbunden.
  2. 2. Leistungstransistor-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1,19) mit Befestigungslaschen (2,20) zur Montage auf einem Kühlkörper versehen ist.
  3. 3. Leistungstransistor-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatte (5,23) in eine umlaufende Vertiefung der Bodenseite des Rahmens (1,19) eingeklebt ist.
    BAD
  4. 4. Leistungstransistor-Modul nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung in der Bodenseite des Rahmens (1,19) eine umlaufende Nut (8) zur
    Aufnahme von Klebstoffresten aufweist. B
  5. 5. Leistungstransistor-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelemente (10,12,17,26 bis 30) jeweils vergrößerte Fußteile (9,13,31) aufweisen.
  6. 6. Leistungstransistor-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelemente (10,12,17,26 bis 30) jeweils Dehnungsbö-
    gen (33) mit verringertem Querschnitt aufweisen. 16
  7. 7. Leistungstransistor-Modul nach einem der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in seinem unteren Teil mit einer weichen Vergußmasse (15,39) und in seinem mittleren Teil mit einer harten Vergußmasse (16,40) ausgefüllt ist.
    IAD ORIGINAL
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