DE4300516C2 - Power semiconductor module - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermo dul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der DE 37 17 489 A1 bekannt ist.The invention relates to a power semiconductor mo dul according to the preamble of claim 1 as it from the DE 37 17 489 A1 is known.
Als Substrat ist dort eine Keramikplatte eingesetzt, die zugleich den Boden des Moduls bildet. Die Keramikplatte trägt Leiterbahnen in Form von dünnen Kupfer blechen, die nach einem Direktverbindungsverfahren mit der Keramikplatte festhaftend verbunden sind. Das in solchen Modulen verwendete Kupferblech hat eine Dicke von einigen Zehntel Millimeter, typisch 0,3 mm. Die Dicke des Kupfer blechs kann nicht beliebig vergrößert werden, weil sonst zu hohe mechanische Spannungen in der Keramik entstehen kennen. There is a ceramic plate as the substrate used, which also forms the bottom of the module. The Ceramic plate carries conductor tracks in the form of thin copper sheet metal, which after a direct connection procedure with the Ceramic plate are firmly connected. That in such Copper sheet used in modules has a thickness of a few Tenths of a millimeter, typically 0.3 mm. The thickness of the copper sheet cannot be enlarged arbitrarily, otherwise it will high mechanical stresses occur in the ceramic know.
Die Anschlußlaschen für die äußeren Stromanschlüsse des Mo duls sind typisch aus einem 1 bis 2 mm dicken Blech herge stellt und mit ihrem Fußpunkt auf Flächen der Substratme tallisierung mit Weichlot aufgelötet. Ein bevorzugtes Ver fahren zum Auflöten der Anschlußlaschen ist die Impulslö tung. Zur Durchführung der Impulslötung wird ein Lötwerk zeug in das oben offene Modulgehäuse eingeführt. Die Abmes sungen der Elektroden des Lötwerkzeugs und damit der not wendige Platz im Modul, der den Zugang zur Lötstelle ermög licht, ist abhängig von der Größe der Lötfläche auf der Substratmetallisierung. Die realisierbare Fläche der Löt stelle ist deshalb auf relativ kleine Flächen begrenzt. Kleine Anschlußflächen auf einer dünnen Substratmetallisie rung führen aber zu einem geringen Stromspreizeffekt und damit zu einer geringen Stromtragfähigkeit des Moduls.The connection tabs for the external power connections of the Mo duls are typically made from a 1 to 2 mm thick sheet poses and with its base on surfaces of the substrate tallization soldered with soft solder. A preferred ver drive for soldering the connection tabs is the momentum tung. A soldering system is used to carry out pulse soldering stuff inserted into the open top module housing. The dimensions solutions of the electrodes of the soldering tool and thus the emergency manoeuvrable space in the module that allows access to the solder joint light depends on the size of the soldering area on the Substrate metallization. The realizable area of the solder is therefore limited to relatively small areas. Small pads on a thin substrate metallization but lead to a low current spreading effect and thus the module has a low current carrying capacity.
Eine Kontaktstelle mit der Fläche 5 × 6 mm2 kann z. B. zer stört werden, wenn kurzzeitig, d. h. etwa 10 ms lang ein Strom von 20 kA fließt. Ein Strom von dieser Größenordnung fließt z. B. im Kurzschlußfall, wenn keine Schmelzsicherun gen, sondern sogenannte Unterbrecher-Schütze den Strom ab schalten. Die Zerstörung der Kontaktstelle tritt durch Ver dampfen der Metallisierung in der Nähe der Kontaktstelle ein.A contact point with the area 5 × 6 mm 2 can, for. B. zer be disturbed if a current of 20 kA flows for a short time, ie for about 10 ms. A current of this magnitude flows e.g. B. in the event of a short circuit, if no fuse, but so-called interrupter contactors switch off the current. The destruction of the contact point occurs by evaporating the metallization near the contact point.
Weitere kritische Lötstellen im Modul sind solche, an denen Metallstücke, die einen unterschiedlichen Ausdehnungskoef fizienten haben, miteinander durch Weichlöten zu verbinden sind.Other critical solder joints in the module are those where Metal pieces that have a different expansion coefficient efficient to connect to each other by soft soldering are.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs halbleitermodul anzugeben, das in der oben beschriebenen Lötkontakttechnik ausgeführt ist, wobei Maßnahmen zur Ver besserung kritischer Lötkontaktstellen getroffen sind, ins besondere eine verbesserte Stromtragfähigkeit der Anschluß stellen der Modulanschlüsse erzielt ist. The invention has for its object a performance semiconductor module specify that in the above Solder contact technology is carried out, measures for ver improvement of critical solder contact points have been made, ins especially an improved current carrying capacity of the connection make the module connections.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This task is solved by a power semiconductor module with the features of claim 1.
Das erfindungsgemäß angeordnete Kontaktstück bewirkt quasi eine Lötflächentransformation, da es einerseits einen groß flächigen Lötkontakt auf einer relativ dünnen Substratme tallisierung ermöglicht und andererseits einen kleinflächi gen Lötkontakt zwischen zwei relativ dicken Metallstücken. Als Kontaktstück im Sinne der Erfindung kann auch ein bit Modul als Verbindungsteil ohnehin benötigtes Metallteil ausgebildet werden.The contact piece arranged according to the invention has the effect a soldering surface transformation, since it is a big one flat solder contact on a relatively thin substrate Tallization allows and on the other hand a small area against solder contact between two relatively thick pieces of metal. As a contact piece in the sense of the invention, a bit Module as connecting part anyway metal part required be formed.
Zur Vermeidung kritischer Lötkontaktstellen trägt die Anordnung eines Zwischenstücks zwischen einer an Silizium angepaßten Kontaktplatte oder Ausgleichsronde und einem Kontaktstück bei. Der Ausdehnungskoeffizient des Zwischen stücks ist an denjenigen des Kontaktstücks angepaßt, vor zugsweise durch Wahl desselben Materials. Die Kontaktplatte und das Zwischenstück sind durch Hartlöten miteinander ver bunden.To avoid critical solder contact points, the Arrangement of an intermediate piece between one of silicon adapted contact plate or balancing disc and one Contact at. The coefficient of expansion of the intermediate piece is matched to that of the contact piece before preferably by choosing the same material. The contact plate and the intermediate piece are brazed together bound.
Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels. A more detailed description of the invention follows below with reference to one shown in the figures Embodiment.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein bestücktes Substrat für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul Fig. 1 shows a mounted substrate for an inventive power semiconductor module
Fig. 2 die elektrische Schaltung des Leistungshalblei termoduls gemäß Ausführungsbeispiel, Fig. 2 shows the electric circuit of the Leistungshalblei termoduls according to the embodiment,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ebene A'-A" die in Fig. 1 eingetragen ist, Fig. 3 shows a section through a plane A'-A "which is entered in Fig. 1,
Fig. 4 eine Detaildarstellung eines Kontaktstücks mit einer Anschlußlasche, Fig. 4 is a detailed illustration of a contact piece having a terminal strip,
Fig. 5 einen Modulgehäuseteil mit eingesetztem Sub strat, Figure 5 strat. A module housing part with inserted Sub,
Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5, Fig. 6 is a section through the arrangement according to Fig. 5,
Fig. 7 eine Außenansicht des fertiggestellten Moduls, und Fig. 7 is an external view of the finished module, and
Fig. 8 eine Kontaktplatte mit Zwischenstück. Fig. 8 is a contact plate with an intermediate piece.
Die Zeichnungen beziehen sich alle auf ein Ausführungsbei spiel eines Leistungshalbleitermoduls, dessen elektrische Schaltung in Fig. 2 gezeigt ist. Die elektrische Schaltung ist eine Reihenschaltung zweier Dioden 3.1, 3.3, die eine in der Leistungselektronik als Teilbrückenschaltung häufig vorkommende Grundschaltung ist. Ein Leistungshalbleitermo dul, mit den diese Grundschaltung realisiert ist, weist ne ben den Dioden 3.1, 3.2 noch Metallteile zur Herstellung der elektrischen Verbindungen und zur Schaffung äußerer Stromanschlüsse A, K, A-K auf.The drawings all relate to an embodiment of a power semiconductor module, the electrical circuit of which is shown in FIG. 2. The electrical circuit is a series circuit of two diodes 3.1 , 3.3 , which is a basic circuit that frequently occurs in power electronics as a partial bridge circuit. A power semiconductor module with which this basic circuit is implemented has, besides the diodes 3.1 , 3.2 , metal parts for the production of the electrical connections and for the creation of external power connections A, K, AK.
Fig. 1 zeigt ein bestücktes Substrat 1, das für einen Ein bau in einen Modulgehäuserahmen 10 (siehe Fig. 5 und 6) aus Kunststoff vorbereitet ist. Das Substrat 1 ist sowohl auf seiner Unterseite als auch auf seiner Oberseite mit ei ner Metallisierung 2 versehen. Das Substrat 1 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumoxidkeramik und hat die Abmessungen 47 × 65 mm2, kann aber auch aus einem anderen elektrisch isolierenden Material bestehen, und auch andere Abmessungen haben. Die Metallisierung 2 besteht aus etwa 0,3 mm dicken Kupferfolien, die unter Anwendung eines Di rektverbindungsverfahrens mit dem Keramiksubstrat 1 verbun den sind. Die Dicke der Kupferfolie liegt typisch im Be reich 0,25 bis 0,5 mm. Die obere Metallisierung 2 ist in mehrere Einzelflächen unterteilt, entsprechend den Erfor dernissender elektrischen Schaltung, die mit dem Modul re alisiert wird. Auf solchen Einzelflächen der Metallisierung 2 sind die Diodenchips 3.1, 3.2 jeweils mit ihrer Anoden seite mittels Weichlot aufgelötet. Außerdem sind auf den Metallisierungsflächen 2 und ggf. auf den Dioden 3.1, 3.2 aus etwa 1 bis 2 mm dickem Kupferblech bestehenden Kontaktstücke 4.1, 4.2, 4.3 mittels Weichlot aufgelötet. Fig. 1 shows an assembled substrate 1 , which is prepared for a construction in a module housing frame 10 (see FIGS. 5 and 6) made of plastic. The substrate 1 is provided on both its underside and on its top with egg ner metallization 2 . In the exemplary embodiment, the substrate 1 consists of an aluminum oxide ceramic and has the dimensions 47 × 65 mm 2 , but can also consist of another electrically insulating material and also have other dimensions. The metallization 2 consists of approximately 0.3 mm thick copper foils which are connected to the ceramic substrate 1 using a direct connection method. The thickness of the copper foil is typically in the range from 0.25 to 0.5 mm. The upper metallization 2 is divided into several individual areas, in accordance with the requirements of the electrical circuit that is re alized with the module. On such individual areas of the metallization 2 , the diode chips 3.1 , 3.2 are soldered with their anode side using soft solder. In addition, contact pieces 4.1 , 4.2 , 4.3 consisting of approximately 1 to 2 mm thick copper sheet are soldered onto the metallization areas 2 and possibly on the diodes 3.1 , 3.2 by means of soft solder.
Die Diodenchips 3.1, 3.2 haben im Ausführungsbeispiel Ab messungen von 29 × 23 mm2. Auf die Chips 3.1, 3.2 sind auf der in Fig. 1 jeweils oben liegenden Kathodenseite Kon taktplatten 7 aufgelötet. Der thermische Ausdehnungskoeffi zient der Kontaktplatten 7 ist weitgehend an denjenigen von Silizium angepaßt. Die Kontaktplatten 7 können z. B. aus Mo lybdän oder noch besser aus einem Trimetall aus Cu/NiFe/Cu hergestellt sein. Auf den Kontaktplatten 7 wurde in einem vorausgegangenen Montageschritt, also vor dem Auflöten der Kontaktplatten 7 auf den Diodenchips 3.1, 3.2, jeweils ein Zwischenstück 6 (siehe Fig. 3, 6 und 8) aus Kupfer mittels Hartlot auf der Oberseite der Kontaktplatten 7 aufgebracht. Durch die Anordnung des hartgelöteten Zwischenstücks 6 wird eine Weichlotverbindung zwischen Materialien mit unter schiedlichem Ausdehnungsvermögen, also z. B. eine Weichlot verbindung zwischen Molybdän und Kupfer, vermieden. Dies ist von Bedeutung, da zur Erlangung geringer Innenwider stände der Kathodenstrom mittels massiver Kupferteile weitergeleitet werden muß.The diode chips 3.1 , 3.2 have dimensions from 29 × 23 mm 2 in the exemplary embodiment. On the chips 3.1 , 3.2 contact plates 7 are soldered to the top of the cathode side in FIG. 1 Kon. The thermal expansion coefficient of the contact plates 7 is largely adapted to that of silicon. The contact plates 7 can, for. B. from Mo lybdenum or even better made from a trimetal of Cu / NiFe / Cu. On the contact plates 7 are each a spacer 6 was in a previous assembly step, before the soldering of the contact plates 7 to the diode chips 3.1, 3.2, (see Fig. 3, 6 and 8) deposited copper by means of brazing material on top of the contact plates 7. The arrangement of the brazed intermediate piece 6 is a soft solder connection between materials with different expansibility, ie z. B. a soft solder connection between molybdenum and copper avoided. This is important because the cathode current has to be passed on by means of solid copper parts in order to achieve low internal resistance.
In Fig. 3 ist ein auf die Kontaktplatte 7 stumpf aufgelö tetes Zwischenstück 6 gezeigt. Bei der Formgebung und An ordnung des Zwischenstücks kam es ferner darauf an, die Verwölbung der Kontaktplatte möglichst gering zu halten. Dies wurde erreicht, indem das Zwischenstück 6 zentral so auf der Kontaktplatte 7 angeordnet wird, daß die Strom spreizung radial nach allen Seiten erfolgt. Die Fläche der Stromeinspeisung in die Kontaktplatte muß für die Strombe lastung groß genug sein, aber andererseits so klein, daß es nicht zur bimetallähnlichen Verspannung der Kontaktplatte 7 kommt. In Fig. 8 ist eine vorteilhafte Gestaltung des Zwi schenstücks 6 dargestellt. Das Zwischenstück 6 ist als zy linderartiges Drehteil mit einer oberen Platte 6.1 gestal tet. Es steckt in einer zentralen Öffnung 25 in der Kon taktplatte 7 aus Trimetall. Der Zylinderteil 6.2 des Zwi schenstücks 6 kontaktiert dabei die obere und untere Kupferschicht in der Kontaktplatte 7 und ist mit der Kon taktplatte 7 hart verlötet.In Fig. 3 is shown on the contact plate 7 bluntly tapped adapter 6 . When shaping and arranging the intermediate piece, it was also important to keep the curvature of the contact plate as low as possible. This was achieved by arranging the intermediate piece 6 centrally on the contact plate 7 so that the current spreading takes place radially on all sides. The area of the current feed into the contact plate must be large enough for the current loading, but on the other hand so small that it does not lead to bimetallic tensioning of the contact plate 7 . In Fig. 8 an advantageous design of the inter mediate piece 6 is shown. The intermediate piece 6 is designed as a cylinder-like rotary part with an upper plate 6.1 . It is in a central opening 25 in the contact plate 7 made of trimetal. The cylindrical part 6.2 of the interim rule piece 6 makes contact with the upper and lower copper layer in the contact plate 7 and is connected to the con tact plate 7 brazed.
Ein erstes Kontaktstück 4.1 ist als Bindeglied zwischen dem Kathodenanschluß (siehe Fig. 3) der ersten Diode 3.1 und einer ersten Anschlußlasche 8.1 (siehe Fig. 5) für den Mo dulanschluß K angeordnet. Das Kontaktstück 4.1 ist mittels Weichlot mit dem Kathodenanschluß der Diode 3.1 verbunden.A first contact piece 4.1 is arranged as a link between the cathode connection (see FIG. 3) of the first diode 3.1 and a first connection tab 8.1 (see FIG. 5) for the module connection K. The contact piece 4.1 is connected to the cathode connection of the diode 3.1 by means of soft solder.
Das zweite Kontaktstück 4.2 ist Bindeglied zwischen einer mit der Anode der ersten Diode 3.1 verbundenen Metallisie rungsfläche 2 und einer zweiten Anschlußlasche 8.2 (siehe Fig. 5) für den Modulanschluß A-K. Außerdem ist das zweite Kontaktstück 4.2 Verbindungsglied zwischen der Anode der ersten Diode 3.1 und dem Kathodenanschluß der zweiten Diode 3.2.The second contact piece 4.2 is the link between a metallization area 2 connected to the anode of the first diode 3.1 and a second connection tab 8.2 (see FIG. 5) for the module connection AK. In addition, the second contact piece 4.2 is a connecting link between the anode of the first diode 3.1 and the cathode connection of the second diode 3.2 .
Das dritte Kontaktstück 4.3 ist Bindeglied zwischen einer mit der Anode der zweiten Diode 3.2 verbundenen Metallisie rung 2 und einer dritten Anschlußlasche 8.3 für den Modul anschluß A. The third contact piece 4.3 is the link between a metallization 2 connected to the anode of the second diode 3.2 and a third connection tab 8.3 for the module connection A.
Alle Kontaktstücke 4.1, 4.2, 4.3 tragen auf ihrer Oberseite eine Weichlotschicht 5 auf einer Fläche, die für den An schluß einer Anschlußlasche 8.1, 8.2, 8.3 im Impulslöt verfahren vorgesehen ist.All contact pieces 4.1 , 4.2 , 4.3 carry on their upper side a soft solder layer 5 on a surface which is provided for the connection to a connecting plate 8.1 , 8.2 , 8.3 in the pulse soldering process.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine in Fig. 1 eingetra gene Ebene A'-A", anhand dessen weitere Einzelheiten er läutert werden. In Fig. 3 ist das Substrat 1 mit der strukturierten Metallisierung 2 auf der Oberseite und einer ganzflächen Metallisierung 2 auf der Unterseite darge stellt. Auf einer Teilfläche der Metallisierung 2 ist die erste Diode 3.1 mit der Anodenseite mittels Weichlot auf gelötet. Ebenfalls mittels Weichlot ist auf der Kathode der Diode 3.1 eine Kathodenplatte 7 aus Trimetall aufgelötet. Über eine Hartlotverbindung 12 ist ein Zwischenstück 6 aus Kupfer mit dem Kontaktstück 7 verbunden. Das Zwischenstück 6 ist mittels Weichlot mit dem ersten Kontaktstück 4.1 ver bunden. Ein in Fig. 3 auf der rechten Seite befindliches Ende des Kontaktstücks 4.1 ist nach unten gebogen und liegt dort auf einer mit Bezugszeichen 9 versehenen Teilfläche der Metallisierung 2 auf. Das Kontaktstück muß nicht durch eine Lötschicht mit der Metallisierung 2 verbunden sein, da an dieser Stelle kein Strom fließt. Ein nicht angelötetes Ende des Kontaktstückes kann als Dehnungsausgleich dienen und vermeidet eine Verspannung und Wölbung des Substrats 1. FIG. 3 shows a section through a plane A'-A "entered in FIG. 1, on the basis of which further details will be explained. In FIG. 3, the substrate 1 with the structured metallization 2 on the upper side and a full-area metallization 2 on the bottom Darge provides. on a partial surface of the metal coating 2 is soldered 3.1 with the anode side by means of solder to the first diode. Also by means of solder is soldered to the cathode of diode 3.1 is a cathode plate 7 of tri. over a braze joint 12 is an intermediate piece 6 connected from copper with the contact piece 7. the intermediate piece 6 is by means of soft solder with the first contact piece 4.1 ver prevented. a in Fig. 3 at the non right side end of the contact piece 4.1 is bent downward and is there on a provided with reference numeral 9 subarea the metallization 2. The contact piece does not have to be connected to the metallization 2 by a solder layer, since on no current flows at this point. An end of the contact piece that is not soldered on can serve to compensate for stretching and prevents tension and curvature of the substrate 1 .
Fig. 4 zeigt in einer Detaildarstellung das dritte Kon taktstücke 4.3 mit der Lotschicht 5 und darüber die dritte Anschlußlasche 4.3 noch vor dem Anlöten. Der obere, mit ei nem Loch 13 zur Durchführung einer Stromanschlußschraube versehene Teil der Lasche 8.3 wird vor der Montage im Modul und dem Impulslötvorgang noch um 90° gebogen, damit die La sche 8.3 mit dem Loch 13 im fertigen Zustand des Moduls (siehe Fig. 7) über einer Anschlußmutter 15 liegt, die sich in einem Gehäusedeckel 11 befindet. Fig. 4 shows a detailed view of the third Kon contact pieces 4.3 with the solder layer 5 and above the third connecting tab 4.3 before soldering. The upper part of the tab 8.3 , provided with a hole 13 for carrying out a power connection screw, is bent by 90 ° before assembly in the module and the pulse soldering process, so that the tab 8.3 with the hole 13 in the finished state of the module (see FIG. 7) lies over a connecting nut 15 , which is located in a housing cover 11 .
Das Kontaktteil 4.3 hat im dargestellten Beispiel die Form eines C. Es wird mit den nach innen gebogenen Füßen auf die Metallisierung 2 des Substrats 1 (siehe Fig. 1) gelötet. Je nach Anforderungen und Platzverhältnissen kann das Kon taktstück auch andere Formen haben.In the example shown, the contact part 4.3 has the shape of a C. It is soldered onto the metallization 2 of the substrate 1 (see FIG. 1) with the feet bent inwards. Depending on requirements and space, the contact piece can also have other shapes.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Modulgehäuserahmen 10 aus Kunststoff, der eine in Fig. 6 sichtbare Ausnehmung in seiner Bodenebene hat, in die das bestückte Substrat 1 eingesetzt ist. Die weiteren Ausführungen beziehen sich sowohl auf die Fig. 5 als auch auf die Fig. 6, die einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 in einer Ebene B'-B" zeigt. FIG. 5 shows a plan view of a module housing frame 10 made of plastic, which has a recess visible in FIG. 6 in its bottom plane, into which the assembled substrate 1 is inserted. The further statements relate both to FIG. 5 and to FIG. 6, which shows a section through the arrangement according to FIG. 5 in a plane B'-B ".
Der Modulgehäuserahmen 10 weist Befestigungsflansche 16 mit Befestigungslöchern 17 auf. Außerdem hat der Rahmen 10 Ver strebungen 18 mit angeformten Stützen 19. Die Stützen 19 drücken im fertigmontierten Zustand des Moduls auf die Kon taktplatten 7 und verhindern damit eine nach innen gerich tete Wölbung des Substrats 1. Mit fertigmontiertem Zustand ist eine Anordnung gemeint, in der das Modul auf einem nicht dargestellten Kühlkörper montiert ist mittels Schrau ben, die durch die Befestigungslöcher 17 geführt sind. Im montierten Zustand werden Druckkräfte von dem Gehäuserahmen 10 sowie über die Verstrebungen 18 und Stützen 19 auf das Substrat 1 und die Bestückungselemente 3.1, 3.2 übertragen. Der Gehäuserahmen 10 liegt nicht direkt auf dem Rand des Substrats 1 auf. Das Substrat 1 befindet sich in einer Aus nehmung 20 in der Bodenebene des Rahmens 10. Es besteht eine elastische Verbindung zwischen Substratrand und Gehäuserahmen, die vorzugsweise mittels einer etwa 0,5 bis 1 mm dicken Klebstoffraupe aus elastischem Silikon herge stellt ist. Die Verbindung dient hauptsächlich der Abdich tung. Das metallisierte Substrat 1 steht leicht, d. h. etwa 0,1 mm über der Bodenebene des Rahmens 10 über und wird da durch federnd auf den Kühlkörper gedrückt. The module housing frame 10 has mounting flanges 16 with mounting holes 17 . In addition, the frame 10 Ver struts 18 with molded supports 19th The supports 19 press in the fully assembled state of the module on the contact plates 7 and thus prevent an inward curvature of the substrate. 1 With the fully assembled state, an arrangement is meant in which the module is mounted on a heat sink, not shown, by means of screws which are guided through the fastening holes 17 . In the assembled state, compressive forces are transmitted from the housing frame 10 and via the struts 18 and supports 19 to the substrate 1 and the mounting elements 3.1 , 3.2 . The housing frame 10 does not lie directly on the edge of the substrate 1 . The substrate 1 is located in a recess 20 in the bottom plane of the frame 10 . There is an elastic connection between the substrate edge and the housing frame, which is preferably made by means of an approximately 0.5 to 1 mm thick adhesive bead made of elastic silicone. The connection is mainly used for sealing. The metallized substrate 1 protrudes slightly, ie about 0.1 mm above the bottom plane of the frame 10 , and is pressed resiliently onto the heat sink.
In Fig. 5 sind die Verstrebungen 18 durch eine Schraffur hervorgehoben, obwohl es sich nicht um Schnittflächen han delt.In Fig. 5, the struts 18 are highlighted by hatching, although it is not han delt cut surfaces.
In den Fig. 5 und 6 ist der Modulanschluß A-K zu erken nen, der gebildet ist durch die zweite Anschlußlasche 8.2 mit dem Loch 13 und einer darunter in einer Tasche 21 des Gehäuserahmens 10 befindlichen Mutter 15.In FIGS. 5 and 6 NEN erken to the module terminal AK, which is formed by the second terminal strip 8.2 with the hole 13 and a nut 15 located thereunder in a pocket 21 of the case frame 10.
Fig. 7 zeigt eine äußere Ansicht des Moduls nach dem ein Gehäusedeckel 11 auf dem Gehäuserahmen 10 aufgesetzt ist und das Modul mit Vergußmasse 14 gefüllt ist. Durch den Deckel 11 sind die Anschlußlaschen 8.1 und 8.3 für die Mo dulanschlüsse A und K geführt. Unterhalb der Laschen 8.1 und 8.3 befinden sich in Fig. 7 nicht sichtbare Muttern, die in Taschen des Deckels liegen. Der Deckel 11 hat Öff nungen 22, die geeignet sind zur Einführung eines Impuls lötwerkzeugs und zum Einfüllen von Vergußmasse 14. Fig. 7 shows an external view of the module after a housing cover 11 is placed on the housing frame 10 and the module is filled with potting compound 14 . Through the cover 11 , the connecting straps 8.1 and 8.3 for the module connections A and K are guided. Below the tabs 8.1 and 8.3 there are nuts (not visible in FIG. 7) which lie in pockets of the cover. The lid 11 has openings 22 which are suitable for the introduction of a pulse soldering tool and for filling in the sealing compound 14 .
Die Herstellung des in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Moduls kann auf nachstehende Weise erfolgen. Ein Keramik substrat 1, das z. B. aus Aluminiumoxid besteht, wird unter Verwendung eines Direktverbindungsverfahrens mit einer Me tallisierung 2 aus Kupferblechen oder Kupferfolien verse hen. Die Metalliserung 2 wird chemisch vernickelt mit einer Schichtdicke von einigen Mikrometern. Mit Hilfe einer Löt form wird das in Fig. 1 gezeigte, mit Bestückungselementen versehene Substrat 1 in einem Durchlaufofen mit Schutzgas atmosphäre gelötet. In diesem Lötprozeß werden auch die in Fig. 1 mit Bezugszeichen 5 versehenen Lotschichten auf den Kontaktstücken 4.1, 4.2, 4.3 aufgebracht, also diese Kon taktstücke mit Weichlot benetzt. Das bestückte und gelötete Substrat 1 wird anschließend in die Ausnehmung 20 des Ge häuserahmens 10 eingeklebt, wie oben näher beschrieben ist. Im folgenden Fertigungsschritt wird die zweite Anschlußla sche 8.2 für den Modulanschluß A-K in die Führungsvertie fung 23 eingelegt und mit dem zweiten Kontaktstück 4.2 verlötet. Dies geschieht mittels Impulslötung, bei der der Laschenfuß kurzzeitig auf eine hohe Temperatur erwärmt wird und das auf dem Kontaktstück befindliche Lot zum Aufschmel zen bringt. Die Laschen 8.1 bis 8.3 werden vor dem Anlöten galvanisch verzinnt, um ein gutes Benetzungsverhalten zu erzielen.The module shown in FIGS. 1 to 7 can be manufactured in the following manner. A ceramic substrate 1 , the z. B. consists of aluminum oxide, hen using a direct connection method with a tallization Me 2 of copper sheets or copper foils verses. The metallization 2 is chemically nickel-plated with a layer thickness of a few micrometers. With the aid of a soldering mold, the substrate 1 shown in FIG. 1, provided with placement elements, is soldered in a continuous furnace with protective gas atmosphere. In this soldering process, the solder layers provided with reference numerals 5 in FIG. 1 are applied to the contact pieces 4.1 , 4.2 , 4.3 , ie these contact pieces are wetted with soft solder. The assembled and soldered substrate 1 is then glued into the recess 20 of the Ge frame 10 , as described in more detail above. In the following manufacturing step, the second connection loop 8.2 for the module connection AK is inserted into the guide recess 23 and soldered to the second contact piece 4.2 . This is done by means of pulse soldering, in which the tab base is briefly heated to a high temperature and causes the solder on the contact piece to melt. The tabs 8.1 to 8.3 are tin-plated before soldering in order to achieve good wetting behavior.
Der Gehäusedeckel 11 weist Taschen auf, in die M8-Muttern für Stromanschlußschrauben eingelegt werden und außerdem Schlitze 24, durch die vorgebogene Anschlußlaschen 8.1 und 8.3 gesteckt werden. Der Deckel 11 wird mit den eingehäng ten Laschen 8.1, 8.3 auf den Gehäuserahmen 10 aufgesetzt und mit diesem verklebt. Die Laschen 8.1 und 8.3 werden an schließend mit dem jeweiligen Kontaktstück 4.1 bzw. 4.3 mittels Impulslötung verbunden. Dazu wird ein Impulslöt werkzeug durch Öffnungen 22 im Deckel 11 geführt. In einem letzten Herstellungsschritt wird Vergußmasse 14 durch die Öffnungen 22 eingefüllt.The housing cover 11 has pockets into which M8 nuts for power connection screws are inserted and also slots 24 through which pre-bent connecting straps 8.1 and 8.3 are inserted. The lid 11 is placed on the housing frame 10 with the hinged tabs 8.1 , 8.3 and glued to it. The tabs 8.1 and 8.3 are then connected to the respective contact piece 4.1 or 4.3 by means of pulse soldering. For this purpose, a pulse soldering tool is guided through openings 22 in the cover 11 . In a last manufacturing step, potting compound 14 is filled through openings 22 .
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist es möglich, Ge häusedeckel 11 und Gehäuserahmen 10 als einstückiges Teil zu fertigen. Dann wird die zweite-Anschlußlasche 8.2 im einstückigen Gehäuse vorbestückt, bevor das Substrat 1 in die Ausnehmung 20 eingeklebt wird.As a further advantageous embodiment, it is possible to manufacture Ge housing cover 11 and housing frame 10 as a one-piece part. Then the second connection tab 8.2 is pre-fitted in the one-piece housing before the substrate 1 is glued into the recess 20 .
In Versuchen mit Modulen gemäß Ausführungsbeispiel hat sich gezeigt, daß eine Stromtragfähigkeit über 25 kA während 10 ms gegeben ist, ohne daß dabei die 0,3 mm dicke Kupfer metallisierung 2 und die Zwischenstücke 6 gemäß Fig. 8 zerstört werden. Experiments with modules according to the exemplary embodiment have shown that a current carrying capacity of more than 25 kA is given for 10 ms without the 0.3 mm thick copper metallization 2 and the intermediate pieces 6 according to FIG. 8 being destroyed.
11
Substrat
Substrate
22nd
Metallisierung
Metallization
3.13.1
erste Diode
first diode
3.23.2
zweite Diode
second diode
4.14.1
erstes Kontaktstück
first contact piece
4.24.2
zweites Kontaktstück
second contact piece
4.34.3
drittes Kontaktstück
third contact piece
55
Weichlotschicht
Soft solder layer
66
Zwischenstück
Spacer
6.16.1
Platte
plate
6.26.2
Zylinderteil
Cylinder part
77
Kontaktplatte
Contact plate
8.18.1
erste Anschlußlasche
first connection bracket
8.28.2
zweite Anschlußlasche
second connection bracket
8.38.3
dritte Anschlußlasche
third connection tab
99
Auflagefläche
Contact surface
1010th
Modulgehäuserahmen
Module housing frame
1111
Gehäusedeckel
Housing cover
1212th
Hartlotverbindung
Braze joint
1313
Loch
hole
1414
Vergußmasse
Sealing compound
1515
Anschlußmutter
Connector nut
1616
Befestigungsflansch
Mounting flange
1717th
Befestigungsloch
Mounting hole
1818th
Verstrebung
Bracing
1919th
Stütze
support
2020th
Ausnehmung
Recess
2121
Tasche
bag
2222
Einfüllöffnung
Filling opening
2323
Führungsvertiefung
Leadership deepening
2424th
Schlitz
slot
2525th
Öffnung
A Anoden-Modulanschluß
A-K Anoden/Kathoden-Modulanschluß
K Kathoden-Modulanschluß
opening
A anode module connection
AK anode / cathode module connection
K cathode module connection
Claims (5)
- - einem Kunststoffgehäuse (10, 11),
- - einem elektrisch isolierenden Substrat (1), das Metallisierung (2) aufweist und als Bodenplatte in das Kunststoffgehäuse (10, 11) eingesetzt ist,
- - Leistungshalbleiterbauelementen (3.1, 3.2), die auf mit Metallisierungen (2) versehenen Flächen des Substrats (1) aufgelötet sind, und
- - Anschlußlaschen (8.1, 8.2, 8.3) zur Bildung äußerer Modulanschlüsse für die Leistungshalbleiterbauelemente (3.1, 3.2),
- - a plastic housing ( 10 , 11 ),
- - An electrically insulating substrate ( 1 ) which has metallization ( 2 ) and is used as a base plate in the plastic housing ( 10 , 11 ),
- - Power semiconductor components ( 3.1 , 3.2 ), which are soldered onto surfaces of the substrate ( 1 ) provided with metallizations ( 2 ), and
- - connecting lugs ( 8.1 , 8.2 , 8.3 ) for forming external module connections for the power semiconductor components ( 3.1 , 3.2 ),
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: IXYS SEMICONDUCTOR GMBH, 68623 LAMPERTHEIM, DE |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: OPPERMANN, FRANK, DIPL.-ING., DE |