DE10056832A1 - Halbleiterbauteil-Moduleinheit - Google Patents

Halbleiterbauteil-Moduleinheit

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Ajit Dubhashi
Stephen Nicholas Siu
Heny W Lin
Bertrand P Vaysse
Michael A Corfield
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Abstract

Eine flexible Leistungsbaugruppe (FPA) ergibt ein neuartiges Gehäusekonzept, das für Motorsteuerungs- und andere Funktionen geeignet ist. Ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) haltert Leistungshalbleiterbauteile und ist direkt auf einem Kühlkörper befestigt, der eine Leiterplatte haltert, die oberhalb der Oberseite des IMS und in Abstand von diesem gehaltert ist. Es sind Bauteile vorgesehen, die auf der Leiterplatte befestigt sind und die elektrisch mit den Leistungs-Halbleiterbauteilen verbunden sind. Es kann ein Hohlraum in der Leiterplatte vorgesehen sein, der es ermöglicht, die Oberseite des IMS freizulegen, wobei der Hohlraum wahlweise einen Zugang für Kontaktierungsdrähte an der Oberseite der Leiterplatte ergibt. Anschlußkissen können auf der Leiterplatte für eine elektrische Verbindung mit den Kontaktierungsdrähten vorgesehen sein. Ein Deckel kann wahlweise vorgesehen sein, um einen Raum über dem Hohlraum zu umschließen. Eine Vergußmasse kann in dem durch den Hohlraum gebildeten Raum enthalten sein.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterbauteil-Moduleinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Halbleiterbauteil-Moduleinheit dieser Art, die ein isoliertes Metallsubstrat (IMS), eine oder mehrere Leistungsschaltungs- Leiterplatten, Zwischenverbindungen und andere Bauteile verwendet, die in einer neuartigen Weise angeordnet sind.
Bekannte Halbleiterbauteil-Moduleinheiten werden zur Unterbringung einer Vielzahl von miteinander verbundenen Halbleiterchips verwendet. Die Chips können von gleicher oder unterschiedlicher Art sein, und sie können auf einem Kühlkörper oder einem anderen Substrat innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses befestigt sein, das Anschlußelektroden aufweist, die sich von dem Gehäuse aus erstrecken.
In einer Leistungsanwendung, wie z. B. für eine Motorsteuerschaltung oder ähnliche Funktionen, werden sowohl Hochleistungs-Bauteile, von denen Wärme abgeführt werden muß, als auch Kleinleistungs-Bauteile, die keine Kühlung erfordern, verwendet. Typischerweise kann die Wärmeableitung dadurch erzielt werden, daß die Bauteile auf einem isolierten Metallsubstrat (IMS) befestigt werden, das von einem Modulgehäuse umschlossen ist. Derartige Substrate und Moduleinheiten sind in dem US-Patent 5 408 128 beschrieben. Wenn jedoch sowohl Hochleistungs- als auch Kleinleistungs- Halbleiterbauteile für eine Anwendung erforderlich sind, vergrößert die Anordnung der Kleinleistungs-Bauteile auf einem IMS sehr stark die Kosten der Moduleinheit. Alternativ werden die Hochleistungs-Halbleiterbauteile in der IMS-Moduleinheit angeordnet, und die Kleinleistungs-Bauteile werden extern in anderen Moduleinheiten befestigt, wodurch die erforderliche Grundfläche der Schaltung sehr stark vergrößert wird und zusätzliche Zwischenverbindungen zwischen den Hochleistungs- und Kleinleistungs-Bauteilen erforderlich werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbauteil-Moduleinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl die Hochleistungs- als auch die Kleinleistungs-Halbleiterbauteile aufnimmt, wobei gleichzeitig die Gehäusegröße verringert wird und die Anzahl und Länge von Zwischenverbindungen zu einem Minimum gemacht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine "anpaßbare planare Moduleinheit" (APM), d. h. ein neues Gehäuse- oder Verpackungskonzept für Motorsteuerungs- und ähnliche Funktionen. Das Gehäuse ist insbesondere für kostengünstige und kleine Motorsteuersysteme geeignet, obwohl das grundlegende Konzept auf größere, eine höhere Leistung ergebende Systeme erweitert werden kann.
Die APM der Erfindung schließt ein eine minimale Fläche aufweisendes IMS-Substrat ein, das für die Leistungs-Halbleiterbauteile und andere Bauteile geeignet ist. Das IMS- Substrat kann eine Eingangs-Halbleiterbrücke, einen Inverter und andere Bauteile tragen und befindet sich unterhalb eines offenen Hohlraumes einer gedruckten Leiterplatte ("PCB"). Die Leiterplatte und das IMS-Substrat sind in einer Formschale vergossen, die mit Anschlüssen versehen ist. Die Leiterplatte ergibt eine kostengünstige Plattform für die Kleinleistungs-Halbleiterbauteile, die keine Wärmeableitung erfordern und daher nicht auf dem IMS-Substrat angeordnet werden müssen. Übliche Drahtkontakierungsverbindungen verbinden das IMS-Substrat und die Leiterplatte, wobei diese Drahtkontaktierungen die Halbleiterplättchen auf dem IMS-Substrat und auf der Leiterplatte miteinander verbinden.
Die vorliegende Erfindung beseitigt somit redundante Zwischenverbindungen, ergibt Kosteneinsparungen und verbessert die Zuverlässigkeit. Insbesondere spart die Aufteilung der Halbleiterbauteile und die Verringerung der IMS-Größe Kosten. Die Verringerung der Größe und die direkte Verbindung mit dem Halbleiterplättchen verringert weiterhin die IMS-Einheitskosten durch Beseitigen der Notwendigkeit einer speziellen Plattierung und die Möglichkeit eines dünneren IMS.
Die APM der vorliegenden Erfindung schließt typischerweise ein IMS-Substrat, eine gedruckte Leiterplatte, einen Basisträger oder eine Schale, Leistungsanschlüsse und Erdanschlüsse ein. Umgebungsbedingungen können ebenfalls berücksichtigt werden.
Eine externe Steuer-Leiterplatte mit einer Tastatur und Eingangs-Ausgangs- Anschlüssen, eine Abdeckung und ein Kühlkörper können ebenfalls vorgesehen sein.
Das IMS-Substrat der APM kann einen Inverter, Ein- oder Drei-Phasen-Eingänge, einen Thermistor, einen negativen Versorgungsleitungs-Nebenschluß und einen Erdfehler- Nebenschluß einschließen. Epoxy- oder Löt-Halbleiterplättchenbefestigungen können verwendet werden. Das Substrat kann für irgendeine oder alle Anwendungen von 0,18, 0,37 oder 0,75 kW geeignet sein. Die Größe des Substrats beträgt beispielsweise ungefähr 3 × 2 cm. Weiterhin kann die Umweltschutz-1-Norm mit einer Beschichtung erfüllt werden, und zwar ebenso wie eine Schutzisolation für 2500 V.
Die Schale oder das Gehäuse der APM kann eine Formschale einschließen, die das IMS-Substrat, die Leistungs-Leiterplatte und die Abdeckung trägt. Die Schale weist beispielsweise eine Grundfläche von ungefähr 7,2 × 13 cm auf, wobei sich von dieser Grundfläche Anschlüsse erstrecken. Drei oder vier beispielsweise M4- Befestigungsschrauben können für einen Erdanschluß, eine Bedienfeld-Erde, eine interne Erdung und eine Kühlkörpererdung verwendet werden. Das Gehäuse weist vorzugsweise ein niedriges Profil von beispielsweise etwa einem Zentimeter auf, und es kann aus einem hochtemperaturbeständigen und eine hohe Festigkeit aufweisenden Kunststoffmaterial hergestellt sein.
Die Leistungs-Leiterplatte der APM kann typischerweise eine einzige Leiterplatte sein, die eine Ansteuerschaltung, Schutzschaltungen, SMP-Bauteile, Filter, Versorgungs­ leitungs-Kondensatoren, Weichstartelemente, Anschlüsse und eine Steuerleiterplatten- Schnittstellenverbindung einschließen kann. Die Leiterplatte weist allgemein beispielsweise Abmessungen von 13,2 × 6,6 cm auf. Vorzugsweise ist die Leiterplatte aus zwei Schichten gebildet, obwohl auch vier Schichten möglich sind. Die Oberseite der Leiterplatte kann oberflächenmontierte Bauteile (SMD) und eine Durchgangs­ öffnung aufweisen. Die Unterseite der Leiterplatte kann ein SMD von vorzugsweise bis zu 3,3 cm aufweisen. Die Leiterplatte kann weiterhin einen Schutzgrad-1-Abstand einschließen, wenn beide Seiten beschichtet oder vergossen sind.
Die Leistungsanschlüsse sind typischerweise Anschlüsse vom LMI- oder Schneider- Typ. Als Beispiel werden drei Motor-Ausgangsanschlüsse sowie zwei oder drei Speiseleitungsanschlüsse verwendet. Die Leiterplatte kann am Eingangsende gegen Erde geerdet werden und erfüllt vorzugsweise die UL-508C-Spezifikationen bei 600 V. Die Leistungsanschlüsse können mit der Leistungs-Leiterplatte verlötet sein.
Die APM erfüllt die Schutzgrad-2-Forderungen, obwohl der Schutzgrad 3 erreicht werden kann, wenn ausgewählte Steueranschlüsse verwaltet werden. Die APM kann weiterhin gegen Schwingungen, Stöße und andere mechanische Belastungen geschützt werden.
Die primäre Erdung der APM ist vorzugsweise der Kühlkörper. Eine Motorabschirmung kann an dem Kühlkörper festgeklemmt werden, um eine die Vorschriften hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit erfüllende Erdung und eine Motorerdung an dem Kühlkörper zu erzielen. Eine eingangsseitige Befestigungsschraube kann die Versorgungsleitungs-Erde, das Bedienfeld und die Bedienfelderde mit dem Kühlkörper und mit der internen Erdverbindung verbinden. Eine Überbrückungsleitung von dem Kühlkörper, die intern den EMC-Anschluß erdet, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Eine Steuer-Leiterplatte kann in der APM enthalten sein oder sie kann extern vorgesehen sein und über eine Steckverbindung und ein Bandkabel angeschlossen sein. Die Steuer-Leiterplatte kann vorzugsweise einen Mikroprozessor, Störschutz­ schaltungen, eine Tastatur und einen Wago-Eingangs-Ausgangs-Steckverbinder einschließen. Die Steuer-Leiterplatte rastet typischerweise in den Deckel ein und ist über ein flexibles Kabel angeschlossen.
Ein Deckel kann mit der APM-Schale verbunden werden, und er ist vorzugsweise ein Formteil-Deckel mit einer produktabhängigen Höhe. Der Deckel kann einen mechanischen und elektrischen Anschluß an die Bauteile ergeben, er kann eine Einrastverbindung mit der Schale aufweisen und Befestigungsschrauben durch die Schale zum Kühlkörper aufnehmen. Der Deckel kann weiterhin eine Halterung für die Steuer-Leiterplatte und Belüftungsöffnungen für die Kondensatorkühlung aufweisen. Wahlweise erfüllt der Deckel die UL-50-Bedingungen.
Ein externer Kühlkörper dient als Befestigungsoberfläche für die APM. Es sind drei Größen für den Kühlkörper vorzuziehen, die alle vorzugsweise die gleiche Grundfläche aufweisen, nämlich einen aus extrudiertem Aluminium bestehenden Kühlkörper für Anwendungen mit 0,37 kW, einen aus extrudiertem Aluminium bestehenden Kühlkörper für 0,75 kW-Anwendungen oder eine Aluminiumplatte für 0,18 kW-Anwendungen. Der Kühlkörper ist vorzugsweise so bemessen, daß er eine abschließende Wärmeableitung ohne die Verwendung eines Gebläses ergibt. Typischerweise können drei oder vier Gewindebohrungen vorgesehen sein, um den Kühlkörper mit der APM zu verbinden.
Der Kühlkörper kann weiterhin an einer Rückwandplatine oder einer DIN-Schiene befestigbar sein.
Die neuartige Schalen-Konstruktion kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Anordnung und Halterung des IMS-Substrates, optimaler Kontakt mit der Kühlkörper-Befestigungsoberfläche, Halterung der Leiterplatte unter Einschluß einer Drahtkontaktierungs-Halterung, Raum für SMD-Bauteile auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte, Raum sowohl für SMD-Bauteile und mit Leitungen versehene Bauteile auf der Oberseite der Leiterplatte. Ein kleiner vertiefter Hohlraum oberhalb des IMS- Substrates ist für die IMS-Bauteile vorgesehen, und dieser Hohlraum ist vorzugsweise mit einer Vergußmasse hoher Qualität gefüllt, die mit den IMS-Halbleiterplättchen in Kontakt steht. Der übrige Teil des Gehäuses unter Einschluß der Leiterplatte und anderer Bauteile kann dann mit einer kostengünstigeren Vergußmasse gefüllt werden.
Die Schale kann weiterhin ein externes Anschlußgehäuse bilden, wenn ein derartiges Gehäuse kostengünstiger ist, als die Verwendung von im Handel erhältlichen Anschlüssen. Alternativ kann die Schale einen abgeteilten Bereich zur Befestigung der im Handel erhältlichen Anschlüsse an der Leiterplatte bilden.
Andere größere Bauteile, wie z. B. Versorgungsleitungs-Kondensatoren, Filterkonden­ satoren und Induktivitäten können eine spezielle Befestigung und Zwischenver­ bindungen erfordern. Diese Bauteile können an der Leiterplatte befestigt werden, und sie können aus der Vergußmasse heraus vorspringen, oder sie können auf einer zusätzlichen Leiterplatte angebracht werden. Die zusätzliche Leiterplatte kann eine koplanare Verlängerung der ersten Leiterplatte sein, oder sie kann in einer zweiten Ebene angeordnet sein, in Abhängigkeit von der Größe, der Anzahl und der Kosten der Bauteilbefestigung, und sie wird sich von einem Produkt zum anderen unterscheiden. Es kann bei manchen Moduleinheiten vorteilhaft sein, die größeren Bauteile, wie z. B. die Versorgungsleitungs-Kondensatoren, an der Unterseite des Gehäuses zu befestigen und einen geeigneten Deckel vorzusehen.
Die obere Oberfläche des Gehäuses kann weiterhin eine Steuertastatur-Platte aufnehmen, die zu der Leiterplatte führt.
Andere Anwendungen, wie z. B. für Geräte, müssen nicht notwendigerweise Anschlüsse erfordern und sie können geringere Kosten aufweisende Anschluß­ verbindungen beinhalten. Anwendungen, wie z. B. industrielle Steuergeräte, können zusätzliche Funktionen aufweisen und eine höhere Leistung und andere mechanische Abmessungen ergeben.
Die Anpaßbarkeit der adaptiven planaren Moduleinheit ermöglicht eine Flexibilität bei der Konstruktion von Produkten durch Modifikation der Konstruktion entweder der Leiterplatte oder des IMS-Substrates ohne wesentliche Änderung der hierfür erforderlichen Werkzeuge. Es können weitere Änderungen auch dadurch durchgeführt werden, daß die Formschale mit einem auswechselbaren Einsatz für den IMS-Substrat- Hohlraum aufgebaut wird, oder daß ein mehrfacher oberer Formhohlraum vorgesehen wird, um höhere Wände für Doppel-Leiterplatten, spezielle Verbinder, eine wahlweise vorgesehene Tastatur und dergleichen zu erzielen.
Somit ergibt die APM eine kostengünstige Gehäuseanordnung, die eine vollständigere Systemintegration in einer einzigen Moduleinheit ermöglicht. Spezielle Systemfunktionen können folgendes einschließen: einen Inverter, eine Eingangs- Gleichrichterbrücke, eine Strommessung, einen Kurzschluß- und Übertemperatur­ schutz, Treiberschaltungen, Eingangs-/Ausgangsfilter, PFC-Schaltungen, Brems­ schaltungen, einen Steuer-Mikroprozessor und eine Tastatur.
Gemäß der Erfindung schließt eine Halbleiterbauteil-Moduleinheit einen Basisträger mit einer Öffnung ein, die sich von dessen oberer Oberfläche zu seiner unteren Oberfläche erstreckt. Ein ebenes thermisch leitendes Substrat erstreckt sich über die Öffnung des Basisträgers, und das Substrat weist eine untere Oberfläche auf, die an oder unterhalb der unteren Oberfläche des Basisträgers liegt, um mit einem äußeren Kühlkörper in Kontakt zu kommen. Ein oder mehrere Halbleiterbauteile sind auf einer oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigt. Zumindest eine Leiterplatte ist oberhalb und in Abstand von der oberen Oberfläche des Basisträgers angeordnet, und die Leiterplatte weist eine Öffnung auf, die oberhalb des thermisch leitenden Substrates liegt. Ein oder mehrere andere Halbleiterbauteile sind auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte befestigt. Es ist zumindest ein Anschlußkissen-Bereich am Umfang der Öffnung in der Leiterplatte vorgesehen, und dieser Anschlußbereich ist elektrisch mit den Halbleiterbauteilen auf der Leiterplatte verbunden. Ein oder mehrere Kontaktierungsdrähte verbinden die Halbleiterbauteile des thermisch leitenden Substrates mit den Anschlußkissen.
Andere Gesichtspunkte der Erfindung schließen eine Motor-Ansteuermoduleinheit und eine Mikro-Wandler-Moduleinheit ein.
Mehrere miteinander verbundene Halbleiterbauteile können auf dem thermisch leitenden Substrat befestigt sein. Das thermisch leitende Substrat kann ein IMS sein. Ein Leistungs-Halbleiterplättchen oder eine Inverterschaltung kann auf dem thermisch leitenden Substrat befestigt sein.
Der Basisträger kann erhöhte Abschnitte aufweisen, die sich oberhalb der oberen Oberfläche des Basisträgers erstrecken und die Öffnung in der Leiterplatte umgeben, um einen Hohlraum oberhalb des thermisch leitenden Substrates zu bilden. Der Hohlraum kann mit einem Vergußmaterial hoher Qualität gefüllt werden, und zumindest ein Teil eines Bereiches oberhalb der Leiterplatte kann mit einem Vergußmaterial geringerer Qualität gefüllt sein. Weitere erhöhte Teile in dem Basisträger können die Leiterplatte tragen.
Einstückige Anschlüsse, die oberhalb der Leiterplatte befestigt sind, oder im Handel erhältliche Anschlüsse, die in einem erhöhten Teil des Basisträgers ausgebildet sind, können elektrische Verbindungen ergeben, und sie sind elektrisch mit den Bauteilen der Leiterplatte verbunden. Eine weitere Leiterplatte kann oberhalb und in Abstand von der Leiterplatte befestigt sein, oder sie kann koplanar mit der Leiterplatte befestigt werden, wobei weitere Bauteile auf der Oberfläche dieser weiteren Leiterplatte befestigt sind. Eine Tastatur kann oberhalb einer der Leiterplatten befestigt sein, und zusätzliche Bauteile können auf der unteren Oberfläche befestigt sein.
Die vorliegende Erfindung kann modifiziert werden, um eine "flexible Leistungsbaugruppe" (FPA) zu schaffen, nämlich ein neuartiges Gehäusekonzept für Motorsteuerungs- und ähnliche Funktionen. Das Gehäuse ist insbesondere für kostengünstige und kleine Motorsteuersysteme geeignet, obwohl das grundlegende Konzept auf größere, für eine höhere Leistung bestimmte System erweitert werden kann.
Die FPA der vorliegenden Erfindung schließt ein IMS ein, das für die Leistungsbauteile und andere Bauteile geeignet ist. Das IMS kann eine Eingangs-Gleichrichterbrücke, einen Inverter und andere Bauteile tragen und unterhalb eines offenen Hohlraums einer gedruckten Leiterplatte liegen. Die gedruckte Leiterplatte und das IMS-Substrat sind in einem Formdeckel vergossen, der mit Anschlußverbindern versehen ist. Die Leiterplatte ergibt eine kostengünstige Plattform für die Niedrigleistungs-Bauteile, die keine Wärmeableitung erfordern und daher nicht auf dem IMS angeordnet sein müssen. Das IMS und die Leiterplatte können über übliche Drahtkontaktierungen miteinander verbunden sein, die das Halbleiterplättchen auf dem IMS und andere Bauteile auf der Leiterplatte miteinander verbinden. Eine FPA gemäß der vorliegenden Erfindung schließt einen Kühlkörper ein, der das Substrat und die Leiterplatte trägt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung schließt eine Halbleiterbauteil-Moduleinheit einen Kühlkörper ein, der direkt ein thermisch leitendes Substrat trägt. Ein oder mehrere Halbleiterbauteile sind auf dem thermisch leitenden Substrat befestigt und elektrisch mit anderen Bauteilen verbunden, die auf einer Leiterplatte befestigt sind. Die Leiterplatte befindet sich oberhalb des thermisch leitenden Substrates und kann einen Hohlraum einschließen. Der Hohlraum in der Leiterplatte erstreckt sich von der oberen Oberfläche der Leiterplatte zu deren Unterseite, und er befindet sich oberhalb des thermisch leitenden Substrates, so daß die Halbleiterbauteile auf dem thermisch leitenden Substrat freiliegen. Ein oder mehrere Drahtkontaktierungsverbindungen können die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil oder den Halbleiterbauteilen auf dem thermisch leitenden Substrat und dem Bauteil oder den Bauteilen auf der Leiterplatte ergeben.
Der Hohlraum kann ausreichend groß gemacht werden, damit das thermisch leitende Substrat vollständig durch den Hohlraum hindurch vorspringt, und die Kanten des Hohlraumes auf der Unterseite der Leiterplatte können mit der Oberseite eines Isolierelementes in Kontakt gebracht werden, das auf seiner Unterseite mit der Oberseite des Kühlkörpers in Kontakt steht.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Hohlraum in der Leiterplatte auch klein genug gemacht werden, damit die Kanten auf der Unterseite der Leiterplatte auf dem thermisch leitenden Substrat aufliegen, was zum Verschluß des Hohlraumes durch den Hauptteil des thermisch leitenden Substrates führt.
Die Halbleiterbauteil-Moduleinheit gemäß der vorstehenden Beschreibung kann weiterhin einen Formdeckel einschließen, der auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte oder über dem Hohlraum in der Leiterplatte liegt, derart, daß der Formdeckel einen Raum oberhalb des thermisch leitenden Substrates abdeckt. Der Raum kann dann mit einer Vergußmasse gefüllt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist kein Hohlraum in der Leiterplatte vorgesehen. Stattdessen ist eine Umschließungseinrichtung, die das Halbleiterbauteil oder die Bauteile umgibt, vorgesehen. Die Umschließungseinrichtung liegt an der Oberseite des thermisch leitenden Substrates und an der Unterseite der Leiterplatte an, wodurch sich ein umschlossener Raum oberhalb des Halbleiterbauteils oder der Halbleiterbauteile ergibt, wodurch die Notwendigkeit eines Formdeckels vermieden wird. Vergußmasse kann dann in dem umschlossenen Raum enthalten sein. Eine elektrische Verbindung über eine Durchkontaktierung kann dann zwischen dem Halbleiterbauteil oder den Halbleiterbauteilen und einem Bauteil auf der Leiterplatte ausgebildet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1A, 1B, 1C und 1D Ansichten von oben, von der Seite, von der Vorderseite bzw. von der Rückseite einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Moduleinheit nach den Fig. 1A-1D, wobei das IMS freigelegt ist,
Fig. 3 das IMS-Substrat und dessen Zwischenverbindungen zu der Leiterplatte nach Fig. 2 mit weiteren Einzelheiten,
Fig. 4A eine Querschnittsansicht der Leiterplatte nach Fig. 1A entlang der Linien 4-4,
Fig. 4B eine Draufsicht auf die Leiterplatte,
Fig. 5A und 5B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6A bzw. 6B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro- Invertermoduleinheit gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung,
Fig. 7A und 7B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro- Invertermoduleinheit gemäß einer weiterne Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8A bzw. 8B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro- Invertermoduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9A und 9B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10A und 10B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 11 eine Draufsicht auf eine anpaßbare planare Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 12 eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung eines IMS gemäß der Erfindung,
Fig. 13A und 13B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Beispiels einer Steuer-Moduleinheit für einen 1/2 HP-Motor, die das IMS nach Fig. 13 aufnehmen kann,
Fig. 14 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil- Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil- Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Kühlkörper mit einer erhöhten Plattform unterhalb des thermisch leitenden Substrates einschließt,
Fig. 16 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil- Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Kühlkörper mit einer erhöhten Plattform ähnlich der Moduleinheit nach Fig. 2 einschließt und weiterhin die elektrische Verbindung zwischen einem Halbleiterbauteil und den Leiterplatten- Bauteilen durch elektrische Kontakte zeigt, die auf der Oberseite des Substrates und der Unterseite der Leiterplatte vorgesehen sind,
Fig. 17 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil- Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Leiterplatte über dem Substrat befestigt dargestellt ist, wobei die Halbleiterbauteile elektrisch mit den Bauteilen der Leiterplatte über Durchkontaktierungen verbunden sind,
Fig. 18 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit, die eine Schale zur Halterung eines Substrates und einer Leiterplatte einschließt, um eine Moduleinheit zu schaffen, die dann in der gezeigten Weise auf einem Kühlkörper befestigt wird,
Fig. 18A eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Fig. 5, die weiterhin eine Halterungsstruktur für die Halterung von Kondensatoren über einer Abdeckung zeigt.
Es wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, in deren Fig. 1A-1D eine anpaßbare planare Moduleinheit (APM) 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist.
Die APM schließt einen Basisträger 102 ein, der eine Leiterplatte 110 trägt. Oberhalb der gedruckten Leiterplatte 110 sind verschiedene elektrische Bauteile befestigt, unter Einschluß einer Drossel 124, von Widerständen 130, 131, 132, 133, 134, von Kondensatoren 136, 138, eines Transformators 148, von Induktivitäten 141 und 146 sowie zusätzlichen Schaltungselementen 140, 142 und 144 sowie 149 und anderen Bauteilen 143, 145, 147 (Fig. 2), die alle über (nicht gezeigte) gedruckte Leiterbahnen auf der Leiterplatte 110 miteinander verbunden sind. Weiterhin sind Eingangs-/Ausgangsanschlußstifte 127 und 129 und Anschlüsse 122A-122F vorgesehen, die externe Anschlüsse an die Leiterplatte ergeben. Eine Tragschale 166 ruht auf der Oberseite der Leiterplatte 110 und trägt Kondensatoren 126 und 128, die elektrisch mit der Leiterplatte 110 verbunden sind, und die durch einen Riemen 130 an ihrem Platz gehalten werden.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1A gezeigte Draufsicht der APM 100, wobei jedoch die Tragschale und deren Kondensatoren entfernt sind. Eine in der Leiterplatte 110 ausgebildete Öffnung 160 liegt oberhalb eines isolierten Metallsubstrates (IMS) 150. Anschlußkissen 164 sind um den Umfang der Öffnung 160 herum angeordnet und elektrisch mit den anderen auf der Leiterplatte befestigten Bauteilen verbunden. Kontaktierungsdrähte 156 ergeben elektrische Verbindungen zwischen den Anschlußkissen 164 der Leiterplatte und den auf dem IMS 150 befestigten Bauteilen.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht des IMS sowie eines Teils der Leiterplatte 110, der die Öffnung 160 umgibt, mit weiteren Einzelheiten. Auf der Oberseite des IMS 150 sind verschiedene Bauteile befestigt, unter Einschluß von Leistungs-Halbleiterbauteilen mit MOS-Gate-Steuerung Q1-Q6, von Dioden D1-D10 sowie von Widerständen RT und RS1. Jedes dieser Bauteile ist thermisch und elektrisch auf der Oberseite von Teilen eines leitenden, mit einem Muster versehenen Materials 150 befestigt, wie z. B. Kupfer. Weiterhin sind auf den oberen Oberflächen der Bauteile Anschlußkissen-Bereiche vorhanden. Kontaktierungsdrähte 156 ergeben Verbindungen von den verschiedenen Bauteilen sowie von dem Anschlußkissen 164 zu dem leitenden Muster und den Anschlußkissen-Bereichen der IMS-Bauteile.
Fig. 4A zeigt eine Querschnittansicht der Konstruktion nach Fig. 2 entlang der Linie 4-4. Das IMS weist einen relativ dicken Körper 152 auf, der aus einem leitenden Metall, wie z. B. Aluminium gebildet ist und der durch eine sehr dünne Isolierschicht bedeckt ist, die ihrerseits das leitende Muster trägt, das elektrisch von dem Körper isoliert ist. Weiterhin sind (nicht gezeigte) Wärmeverteilungseinrichtungen vorgesehen, an denen die Bauteile zur Verbesserung der Wärmeverteilung der von den Bauteilen im Betrieb erzeugten Wärme befestigt sind. Ein Beispiel eines IMS ist in der obengenannten US-Patentschrift 5 408 128 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier aufgenommen wird.
Von Bedeutung ist, daß das IMS in einer Öffnung des Trägerkörpers 102 derart befestigt ist, daß das IMS unterhalb der Leiterplatte 110 liegt, und derart, daß die untere Oberfläche des Körpers 152 koplanar zu der unteren Oberfläche 104 des Trägerkörpers 102 oder unterhalb dieser liegt und für einen thermischen Kontakt mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper verfügbar ist. Weiterhin sind vorzugsweise erhöhte Abschnitte 106 und 108 vorgesehen, die sich von dem Trägerkörper 102 erstrecken und die Leiterplatte 110 an der Öffnung bzw. am Umfang der Leiterplatte 110 abstützen. Die erhöhten Abschnitte 106 und die Öffnung in der Leiterplatte bilden einen Hohlraum oberhalb des IMS, der mit einem Vergußmaterial 158 hoher Qualität gefüllt ist, um die obere Oberfläche des IMS zu bedecken. Ein Vergußmaterial mit geringerer Qualität und geringeren Kosten kann dann zwischen der unteren Oberfläche der Leiterplatte und dem Trägerkörper sowie zur Abdeckung von zumindest einem Teil der auf der Leiterplatte befestigten Bauteile verwendet werden.
Fig. 4B zeigt ein Beispiel einer Leiterplatte 210, die zur Befestigung von Bauteilen geeignet ist und eine Öffnung 260 aufweist, die über dem IMS angeordnet werden kann und in der erfindungsgemäßen Weise verwendet wird.
In vorteilhafter Weise und gemäß der Erfindung verringert die Anordnung der Öffnung in der Leiterplatte oberhalb des IMS die Anzahl und die Länge der Kontaktierungsdrähte, die die auf der Oberseite des IMS befestigten Bauteile mit denen verbinden, die auf der Leiterplatte befestigt sind. Weiterhin werden durch die Befestigung von lediglich den Hochleistungsbauteilen auf dem IMS die Kosten der Moduleinheit stark verringert. Weil weiterhin sowohl die Hochleistungs- als auch die Kleinleistungs-Bauteile in der gleichen Moduleinheit befestigt sind, ist die erforderliche Grundfläche stark verringert, und es wird weiterhin die Anzahl von Zwischenverbindungen verringert. Durch die Beschränkung der Verwendung der eine hohe Qualität aufweisenden Vergußmasse auf den Bereich oberhalb des IMS werden die Kosten der Moduleinheit ebenfalls verringert.
Es sei weiterhin bemerkt, daß ein Deckel, wie z. B. ein (nicht gezeigter) Formdeckel über der Leiterplatte angeordnet werden kann, um die Bauteile der Leiterplatte und das IMS abzudecken, wobei dieser Formdeckel vorzugsweise durch den Umfang des Basisträgers gehaltert ist.
Es wurden weiterhin auch anderen Gehäuseanordnungen für Motorsteuergeräte im Bereich von 0,1-1,0 HP entwickelt.
Die Fig. 5A und 5B zeigen ein Beispiel eines APM-Gehäuses 500 für Geräte­ anwendungen ohne Eingangs-/Ausgangsfilter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein Formschalen-Basisträger 502 trägt eine gedruckte Leiterplatte 510 und weist eine Öffnung auf, durch die hindurch das IMS 550 befestigt ist. Die untere Oberfläche des IMS 550 steht mit einem Kühlkörper 570 in Berührung, um Wärme von den Leistungsbauteilen abzuführen, die auf der Oberseite des IMS befestigt sind, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Weiterhin ist eine Öffnung 560 in der Leiterplatte oberhalb des IMS angeordnet, um die Länge der Kontaktierungsdrähte zu einem Minimum zu machen. Wie dies ebenfalls weiter oben beschrieben wurde, füllt ein Vergußmaterial 558 hoher Qualität einen Hohlraumbereich oberhalb des IMS, und ein Vergußmaterial 559 geringerer Qualität ist in übrigen Bereichen der Moduleinheiten vorhanden. Es sei weiterhin bemerkt, daß Bauteile 528 sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Moduleinheit befestigt sind.
Hier sind die Anschlüsse 522 Flachstecker mit in einer Reihe angeordneten Anschlußstiften zur Lieferung von Steuersignalen. Weiterhin sind wahlweise vorgesehene Eingangs-/Ausgangs-Anschlußstifte 524 vorgesehen. Das Gehäuse mit typischen Abmessungen von 7,62 × 5,08 × 1,27 cm (3,0 Zoll × 2,0 Zoll × 0,5 Zoll) kann eine vollständige Motorsteuerschaltung unter Einschluß einer Inverterschaltung, von Eingangsschaltungen, von Schutzschaltungen und eines Mikroprozessors aufnehmen. Der Inverter und die Eingangsschaltungen 512 befinden sich auf dem IMS 550, und andere Bauteile 528 befinden sich auf der Leiterplatte 310. Die Länge von 7,62 cm ist eine zu Schutzzwecken vorgesehene maximale Größe, wobei genau angepaßte Produkte eine kleinere Größe aufweisen können.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter-APM-Gehäuses 600 mit vollständigen Eingangs-/Ausgangsfiltern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich der Geräte-APM 500, jedoch mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche gedruckte Leiterplatte 640 hinzugefügt ist, um die Induktivitäten und Kondensatoren der Eingangs-/Ausgangs-Filter zu tragen. Die zusätzliche Leiterplatte 640 ist mit der Leiterplatte 610 durch einen Zwischenverbindungs-Leiterrahmen 615 verbunden. Die Größe der zusätzlichen Leiterplatte und ihrer Bauteile ändert sich mit der Nennleistung der APM, die typischerweise im Bereich zwischen 0,1-1,0 HP (75-750 Watt) liegt. Es gibt zwei Anschlußvarianten für die Mikro-Inverter-APM. Die Fig. 6A und 6B zeigen eine einfache Schale mit auf dem Markt erhältlichen Anschlüssen 622. Alternativ zeigen die Fig. 7A und 7B eine im wesentlichen ähnliche APM 700 mit einer Schale 702 und integrierten Anschlüssen 722. Es sei bemerkt, daß mit den im Handel erhältlichen Anschlüssen oder den integrierten Anschlüssen die Anschlüsse mit der Haupt- Leiterplatte in einem getrennten Vergußhohlraum verlötet sind. Wahlweise Eingangs- /Ausgangsanschlüsse 624 sind ebenfalls gezeigt.
Die Fig. 8A und 8B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter-APM-Gehäuses 800 ohne Filter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse ist ähnlich dem nach den Fig. 6A, 6B und 7A, 7B mit der Ausnahme, daß die Körperhöhe dadurch verringert ist, daß die zusätzliche Leiterplatte fortgelassen ist, die ansonsten die Filterschaltung trägt. Stattdessen ist ein Versorgungsleitungskondensator 526 unterhalb der unteren Oberfläche des Basisträgers 802, jedoch in Entfernung von dem Kühlkörper 870 befestigt. Obwohl die Fig. 8A und 8B intergrierte Schalen- Anschlüsse 822 zeigen, können auch im Handel erhältliche Anschlüsse verwendet werden.
Die APM-Gehäuse nach den Fig. 6A, 6B, 7A, 7B und 8A, 8B können weiterhin modifiziert werden, um eine Tastatur 612, 712 bzw. 812 auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte aufzunehmen. Die Gehäuse können weiterhin einen Deckel aufnehmen, der eine Störschutzabschirmung ergibt. Die Filterung und das Gehäuse gemäß der Erfindung sind so konstruiert, daß die Filtergröße zu einem Minimum gemacht wird, und sie weisen eine derartige Architektur auf, daß gemeinsame Werkzeuge und Herstellungsschritte soweit wie möglich für mehr als eine Ausführungsform der APM verwendet werden können.
Die Fig. 9A und 9B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vollständigen Motoransteuerungs-APM 900 mit integrierten Anschlüssen 922 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hier ist ein Formdeckel 904 gezeigt, der eine Eingangs-/Ausgangs-Steckverbindung S911, 921, eine Leuchtdiode 913 und Belüftungsöffnungen 917 aufweist.
Die Fig. 10A und 10B zeigen ein weiteres Beispiel von Draufsichten bzw. Querschnittsansichten einer vollständigen Motoransteuer-APM 901 mit daran befestigten Anschlüssen 982 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die daran befestigten Anschlüsse 982 ersetzen die integrierten Anschlüsse 922 nach den Fig. 9A und 9B.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer vollständigen Motortreiber-APM 1103 gemäß der Erfindung. Bei diesem Beispiel befinden sich integrierte Anschlüsse 1122A und 1122B an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel eines IMS 1250, das aus mehreren Transistoren, IGBT-Bauteilen, Dioden und Widerständen besteht, die miteinander verbunden und mit äußeren Bauteilen verbunden sind.
Die Fig. 13A und 13B zeigen eine Ausführungsform einer 1/2 HP (375 W) Motorsteuer-Moduleinheit- und Ansteuerschaltungs-APM-Moduleinheit 1200, die ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies gezeigt ist, schließt die Moduleinheit eine Treiber-Leiterplatte 1210 ein und nimmt ein IMS 1250 auf, wie es beispielsweise in Fig. 13 gezeigt und mit der Treiber-Leiterplatte verbunden ist. Eine Steuer-Leiterplatte 1240 kann in der Moduleinheit enthalten sein und oberhalb der Treiber-Leiterplatte angeordnet werden, und eine weitere wahlweise vorgesehene Tastatur 1244 kann eingefügt werden und oberhalb der Steuer-Leiterplatte angeordnet werden.
Alternativ kann die Moduleinheit in ihrer Längenabmessung vergrößert sein, so daß die Steuerschaltung auf einer vergrößerten Treiber-Leiterplatte 1210A angeordnet sein können. Hier kann eine verlängerte Tastatur 1244A ebenfalls in der Moduleinheit enthalten und oberhalb der verlängerten Leiterplatte angeordnet sein.
In vorteilhafter Weise ermöglichen die neuartigen Merkmale der vorstehenden Ausführungsformen der APM gemäß der Erfindung eine Herstellung dieser Produkte mit niedrigeren Kosten. Die primären Kostenverringerungsmerkmale schließen folgendes ein: (1) eine verringerte IMS-Substratfläche, (2) ein dünneres IMS-Substrat, (3) keine Drahtkontaktierungsverbindungen auf der IMS-Metallisierung, (4) alle Leiterbahnen auf einer doppelseitigen Leiterplatte, (5) alle Substrat-zu-IMS- Verbindungen sind Drahtkontaktierungen, die üblicherweise immer vorhanden sind, (6) eine integrierte Treiber- und Mikroprozessor-Leiterplatte, (7) eine Möglichkeit eine integrierte Schalen-Anschlußformteil-Konstruktion, (8) ein einziges Gehäuse für alle Funktionen mit einer Vergußmasse zur Verringerung der Größe und der UL-Kriech­ strecken-Vorschriften, und (9) kompatible Werkzeuge für europäische und US-Produkte sowohl für Mikro-Inverter- als auch Geräteprodukte.
Die Verbesserungen dieser Merkmale werden nachfolgend ausführlich beschrieben.
Es wird zunächst auf Fig. 18 Bezug genommen, in der eine APM 90 gemäß der in der anhängigen US-Patentanmeldung 09/197078 vom 20. November 1998 offenbarten Erfindung gezeigt ist, die auf den vorliegenden Anmelder übertragen wurde. Die Fig. 18 zeigt eine APM, die ein thermisch leitendes Substrat 22 einschließt, das thermisch mit einem Kühlkörper 21 verbunden ist, so daß die Wärme, die von einem Halbleiterbauteil 23 erzeugt wird, das sich auf dem thermisch leitenden Substrat 22 befindet, abgeleitet werden kann. Eine Schale 5 ist zur Aufnahme der Bauteile der Moduleinheit vorgesehen. Ein Hohlraum 6 in der Schale ermöglicht eine elektrische Verbindung des Halbleiterbauteils mit einem (nicht gezeigten) Bauteil auf einer Leiterplatte 27, die auf der Oberseite der Schale 5 befestigt ist, mit Hilfe einer Drahtkontaktierung 40, die sich durch den Hohlraum 6 in der Schale und einen Hohlraum 7 erstreckt, der in der Leiterplatte 27 vorgesehen ist. Wie dies gezeigt ist, sind der Hohlraum 7 in der Leiterplatte und der Hohlraum 6 in der Schale 5 miteinander ausgerichtet, um den Durchgang des Kontaktierungsdrahtes 40 zu ermöglichen. Der Kontaktierungsdraht 40 ist elektrisch an einem Ende mit dem Halbleiterbauteil 23 und am anderen Ende mit einem Verbindungskissen 55 verbunden. Das Verbindungskissen 55 ist elektrisch mit einem Bauteil oder Gerät auf der Leiterplatte verbunden, so daß eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil 23 und dem Bauteil oder Gerät ermöglicht wird. Es sind so viele Anschlußkissen vorgesehen, wie dies erforderlich ist. Die Anschlußkissen können entlang des Umfanges des Hohlraumes 7 in der Leiterplatte 27 auf der Oberseite angeordnet sein. Mehrfache elektrische Verbindungen zwischen mehrfachen Halbleiterbauteilen, die auf dem thermisch leitenden Substrat angeordnet sind, und verschiedenen Bauteilen auf der Leiterplatte können in der gleichen Weise hergestellt werden. Ein Deckel 25 ist über dem Hohlraum 7 in der Leiterplatte 27 vorgesehen, um einen Raum 8 über dem thermisch leitenden Substrat zu umschließen. Der eingeschlossene Raum 8 enthält eine Vergußmasse 50.
Die vorstehende Moduleinheit wurde ausführlich in der US-Patentanmeldung 09/197078 beschrieben. Diese Moduleinheit kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß der Deckel 25 aus einem geeigneten leitenden Abschirmmaterial hergestellt wird, oder eine leitende Abschirmung auf den Deckel aufgebracht wird. Eine leitende Abschirmung verringert die Hochfrequenzstörungen, die von den Kontaktierungs­ drähten ausgehen.
Wie dies weiterhin in Fig. 18A gezeigt ist, kann die Oberseite des Deckels so modifiziert werden, daß sie Merkmale zur Halterung von Kondensatoren einschließt. Die spezielle in Fig. 18A gezeigte Ausführungsform schließt einen Deckel 25A ein, der modifiziert wurde, um eine Halterung für zwei Kondensatoren 126, 128, nämlich einen ersten Kondensator 126 und einen zweiten Kondensator 128, zu bilden. Die Kondensatoren 126 und 128 weisen beide einen zylindrischen Querschnitt auf und ruhen mit ihren Seiten auf der Oberseite des Deckels. Der erste Kondensator 126 ruht auf einer ersten Ebene, die im wesentlichen parallel zur Ebene der Oberseite des Deckels sein kann. Der zweite Kondensator 128 ruht auf einer Tragschale 166, die den zweiten Kondensator auf einer zweiten Ebene oberhalb und im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene haltert. Diese stufenförmige Konstruktion zur Anordnung der Kondensatoren ermöglicht es einem Teil des zweiten Kondensators, sich außerhalb der Kante des Deckels zu erstrecken. Weil weiterhin der zweite Kondensator oberhalb der oberen Oberfläche des Deckels gehaltert ist, steht ein Bereich der Leiterplatte 27 unter der Tragschale 131 mit ausreichendem vertikalen Abstand für die Anbringung von Bauteilen auf der Leiterplatte 27 zur Verfügung, wie dies gezeigt ist.
Zwei Anschlagelemente 29, 28, nämlich ein erstes Anschlagelement 29 und ein zweites Anschlagelement 28, ergeben eine seitliche Halterung, so daß die Kondensatoren 126, 128 nicht von dem Deckel herunterfallen. Das erste Anschlagelement 29 verhindert, daß der erste Kondensator 128 von einer Kante des Deckels heruntergleitet oder herunterfällt, während das zweite Anschlagelement 28 verhindert, daß der zweite Kondensator 126 von einer gegenüberliegenden Kante des Deckels heruntergleitet oder herunterfällt. Die Tragschale 131, die zwei Anschlagelemente 28, 29 und der Deckel bilden eine einstückige Konstruktion, und sie sind aus einem Polymer-Material mit geeigneten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften hergestellt.
Obwohl die Merkmale der vorstehenden APM-Ausführungsformen vorteilhafte Ergebnisse liefern, wie dies ausführlich in der US-Patentanmeldung 09/197 078 beschrieben ist und wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, ergeben Modifikationen dieser Ausführungsform weitere vorteilhafte Merkmale, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
In Fig. 14 ist eine flexible Leistungsbaugruppe (FPA) 60 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die FPA schließt ein oder mehrere Halbleiterbauteile 23 ein, die auf der Oberseite eines thermisch leitenden Substrates 22 befestigt sind. Das thermisch leitende Substrat 22 ist direkt an einem Kühlkörper angebracht. Eine Leiterplatte 27 ist oberhalb des thermisch leitenden Substrates 22 vorgesehen. Die Leiterplatte 27 schließt einen Hohlraum 10 ein, der über dem thermisch leitenden Substrat 22 angeordnet ist. Die Außenkanten der Oberseite des thermisch leitenden Substrates 22 sind durch doppelklebendes Klebeband 43 oder andere geeignete Einrichtungen an der Unterseite der Leiterplatte 27 entlang der Unterkanten des Hohlraumes 10 angebracht, derart, daß der Hohlraum 10 durch das thermisch leitende Substrat 22 verschlossen ist.
Ein Anschlußkissen 55 ist auf dem Umfang des Hohlraumes auf der Oberseite der Leiterplatte 27 angeordnet und mit zumindest einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte 27 verbunden. Ein Kontaktierungsdraht 40 verbindet elektrisch das Halbleiterbauteil 23 mit dem Anschlußkissen 55, wodurch das Halbleiterbauteil elektrisch mit dem Bauteil auf der Leiterplatte verbunden wird. Es ist weiterhin ein weiteres Halbleiterbauteil 24 gezeigt, das mit einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte 27 über einen Kontaktierungsdraht 41 in Verbindung steht, der elektrisch mit einem weiteren Anschlußkissen 56 verbunden ist.
Ein Formdeckel 25 ist über dem Hohlraum 10 in der Leiterplatte 27 angeordnet, um einen Raum über den freiliegenden Halbleiterbauteilen zu umschließen. Eine Vergußmasse 50 ist in dem Raum enthalten. Leiterplatten-Abstandsstücke 42, 44 ergeben eine Halterung für die Leiterplatte 27, wobei eine Schraube 45 oder andere geeignete Befestigungseinrichtungen, wie z. B. eine Klammer, die Leiterplatte 27 an dem Kühlkörper 21 befestigen.
Die FPA nach Fig. 14 beseitigt die Notwendigkeit einer komplizierten robusten Schale, wodurch die Kosten entfallen, die sich aus der Einfügung derartiger Schalen bei der Herstellung dieser Moduleinheiten ergeben. Stattdessen kann ein schalenförmiger Deckel, der aus wesentlich kostengünstigeren Materialien hergestellt ist, verwendet werden. Der Formdeckel kann weiterhin aus einem eine geringe Festigkeit aufweisenden und für niedrigere Temperaturen bestimmten Material hergestellt werden, um die Herstellungskosten weiter zu verringern.
In vorteilhafter Weise erfordert die FPA nach Fig. 14 weiterhin kürzere Kontaktierungsdrähte, was zu zuverlässigeren und leichter herstellbaren elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleiterbauteilen und der Leiterplatte führt. Kürzere Kontaktierungsdrähte verringern weiterin die abgestrahlte Hochfrequenzenergie, die von den Kontaktierungsdrähten ausgeht.
Weiterhin kann die Verwendung eines doppelklebenden Klebebandes 43 zwischen der Leiterplatte und dem thermisch leitenden Substrat eine geeignete Isolation für FPA- Einheiten ergeben, die für Hochspannungsanwendungen (< 42 V) bestimmt sind, um die Kriechstreckenforderung der UL-Norm zu erfüllen.
In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform einer FPA 70 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform schließt ein Kühlkörper 26 einen erhöhten Abschnitt ein, der eine Plattform unter dem thermisch leitenden Substrat 22 bildet. Die Plattform kann auf einem grundlegenden Kühlkörper in vielfältiger Weise, beispielsweise durch Strangpressen, Einfügen von zusätzlichem Metall, Prägen oder Stanzen ausgebildet werden. Durch Schaffung der Plattform ist die Leiterplatte 27 weiter von dem Kühlkörper entfernt, so daß sie nicht von dem Kühlkörper erwärmt wird. Die Beschichtung des Kühlkörpers mit einer thermisch nichtleitenden Beschichtung verhindert weiterhin eine Erwärmung der Leiterplatte durch den Kühlkörper. Zusätzlich kann das Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung 26A, die auf den Kühlkörper aufgebracht ist oder mit diesem verbunden wird, Sicherheitsbedenken beseitigen.
Die in Fig. 15 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere nützlich, wenn Sicherheitsforderungen (wie z. B. UL- und VDE-Forderungen) eine minimale Größe von Überschlag- und Kriechstreckenabständen erfordern, die nicht die Konstruktion verwenden kann, die in der Ausführungsform nach Fig. 14 gezeigt ist.
Ein weiterer vorteilhafter Gesichtspunkt der in Fig. 15 gezeigten FPA besteht in der Verringerung der Länge der Kontaktierungsdrähte, weil die Oberseite des Substrates näher an der Oberseite der Leiterplatte liegt, wobei diese Verringerung der Länge in der vorstehend erläuterten Weise das Ausmaß der Hochfrequenzstörungen verringert. Als weiteres Ergebnis der Nähe der oberen Fläche des Substrates zur Oberseite der Leiterplatte besteht darin, daß das Volumen des Raumes, der durch den Formdeckel geschaffen wird, verringert wird, wodurch weniger Vergußmasse benötigt wird, was andererseits die Herstellungskosten der FPA verringert.
Eine weitere Ausführungsform einer FPA 80 gemäß der Erfindung ist in Fig. 16 gezeigt. Diese Figur zeigt eine FPA mit einem Kühlkörper 26, der eine Plattform unter einem thermisch leitenden Substrat 22 aufweist. Ein elektrisches Anschlußkissen 71, 71A ist auf dem Substrat vorgesehen und steht über einen Kontaktierungsdraht 40 in elektrischer Verbindung mit einem Halbleiterbauteil 23. Der Kontaktierungsdraht kann elektrisch mit einem elektrischen Anschlußkissen verbunden sein, das sich auf dem Substrat 22 befindet und das elektrisch mit dem elektrischen Anschlußkissen 71 verbunden ist. Ein weiteres elektrisches Anschlußkissen 70 ist auf der Leiterbahn 27 vorgesehen, und dieses Anschlußkissen ist elektrisch mit einem anderen (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte 27 verbunden. Das elektrische Anschlußkissen 70, 70A auf der Leiterplatte und das elektrische Anschlußkissen 71 auf dem thermisch leitenden Substrat stehen miteinander in Berührung, um eine elektrische Verbindung zwischen einem Halbleiterbauteil 23 und einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte 27 herzustellen. Eine derartige Konstruktion ermöglicht in vorteilhafter Weise das Prüfen der Halbleiterbauteile vor dem Zusammenbau, wodurch die Anzahl von Ausschußprodukten während der Herstellung verringert wird, was andererseits Kosteneinsparungen ergibt.
Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform einer FPA 90 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Leiterplatte 27A oberhalb und in Abstand von einem thermisch leitenden Substrat 22 angeordnet. Es ist kein Hohlraum in der Leiterplatte 27A vorgesehen. Eine Umschließungseinrichtung 20 ist zwischen der Unterseite der Leiterplatte 27A und der Oberseite des thermisch leitenden Substrates 22 angeordnet. Die Umschließungseinrichtung 20 umschließt einen Raum oberhalb des thermisch leitenden Substrates 22, der ein geeignetes Vergußmaterial 50 enthält. Es ist weiterhin eine Durchkontaktierung 30 oder eine Vielzahl von Durchkontaktierungen in der Umschließungseinrichtung 20 vorgesehen, um elektrisch ein Bauteil 15 mit einem Halbleiterbauteil 23 auf dem elektrisch leitenden Substrat 22 zu verbinden. Die Umschließungseinrichtung ist aus einem geeigneten Isoliermaterial hergestellt. Ein Kontaktierungsdraht 40, der an einem Ende in elektrischer Verbindung mit dem Halbleiterbauteil 23 und am anderen Ende in elektrischer Verbindung mit einer Durchkontaktierung 30 steht, ergibt somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil 23 und dem Bauteil 15 oder anderen Bauteilen auf der Leiterplatte 27A.
Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 17 beseitigt die Notwendigkeit eines Formdeckels. In vorteilhafter Weise ergibt der Fortfall des Hohlraumes in der Leiterplatte einen größeren Oberflächenbereich auf der Leiterplatte zur Befestigung von Bauteilen oder Geräten, wodurch gemäß der Erfindung kleinere Moduleinheiten ausgebildet werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind vielfältige Abänderungen und Modifikationen oder andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen. Es wird daher bevorzugt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

Claims (30)

1. Halbleiterbauteil-Moduleinheit mit:
einem Kühlkörper, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist,
einem planaren thermisch leitenden Substrat mit einer oberen Oberfläche, die einen Oberflächenbereich einschließt, und mit einer unteren Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers verbunden ist,
zumindest einem Halbleiterbauteil, das auf der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigt ist,
zumindest einer Leiterplatte mit einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche, wobei die Leiterplatte in Abstand von der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates und oberhalb von diesem angeordnet ist, wobei die Leiterplatte eine darin ausgebildete Öffnung aufweist, die über der thermisch leitenden Oberfläche liegt und einen Öffnungsbereich aufweist, wodurch zumindest ein Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat durch die Öffnung hindurch freiliegt,
zumindest einem weiteren Bauteil, das auf der Leiterplatte befestigt ist, wobei das andere Bauteil elektrisch mit dem Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat verbunden ist,
wobei die Leiterplatte direkt auf dem Kühlkörper befestigt ist.
2. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat einen Außenrand aufweist, und daß der Außenrand der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates über eine Klebeverbindung mit der unteren Oberfläche der Leiterplatte verbunden ist, wodurch die Öffnung verschlossen wird.
3. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat einen Außenrand aufweist, und daß der Außenrand der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates durch Kleben mit Hilfe eines Klebebandes an der unteren Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist.
4. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Halbleiterbauteil elektrisch mit dem anderen Bauteil über einen Kontaktierungsdraht verbunden ist.
5. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Anschlußkissen entlang des Umfanges der Öffnung vorgesehen und mit dem Halbleiterbauteil über einen Kontaktierungsdraht elektrisch verbunden ist.
6. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formdeckel auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist und einen Raum oberhalb der Öffnung in der Leiterplatte umschließt.
7. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Formdeckel umschlossene Raum Vergußmaterial enthält.
8. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte direkt auf den Kühlkörper über zumindest ein Abstandstück gehaltert und mit einer Schraube an dem Kühlkörper befestigt ist.
9. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat ein isoliertes Metallsubstrat ist.
10. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der oberen Oberfläche des Kühlkörpers erhöht ist, um eine Plattform unter der unteren Oberfläche des thermisch leitenden Substrates zu bilden.
11. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates kleiner als die Öffnung ist, so daß das Substrat durch die Öffnung paßt, und daß Isoliereinrichtungen zwischen einem die Öffnung auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte umgebenden Rand und der oberen Oberfläche der Plattform auf dem Kühlkörper befestigt sind.
12. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formdeckel auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist, um einen Raum oberhalb der Öffnung in der Leiterplatte zu umschließen.
13. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Formdeckel umschlossene Raum ein Vergußmaterial enthält.
14. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates größer als der Öffnungsbereich ist, wodurch verhindert wird, daß das Substrat durch die Öffnung hindurchpaßt, daß zumindest ein elektrischer Kontakt auf der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates vorgesehen und elektrisch mit dem Halbleiterbauteil über zumindest einen Kontaktierungsdraht verbunden ist, daß der zumindest eine elektrische Kontakt elektrisch zumindest einen anderen elektrischen Kontakt berührt, der auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist, und daß der andere Kontakt elektrisch mit dem zumindest einen anderen Bauteil auf der Leiterplatte verbunden ist.
15. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in der Leiterplatte durch das thermisch leitende Substrat verschlossen ist.
16. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formdeckel auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist, und daß der Formdeckel einen Raum über der Öffnung in der Leiterplatte umschließt.
17. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum ein Vergußmaterial enthält.
18. Halbleiterbauteil-Moduleinheit mit:
einem Kühlkörper, der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist,
einem ebenen thermisch leitenden Substrat mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers verbunden ist,
zumindest einem Halbleiterbauteil, das auf der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigt ist,
zumindest einer Leiterplatte mit einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche, die oberhalb der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates und mit Abstand von dieser angeordnet ist,
einer Umschließungseinrichtung, die zwischen der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats und der unteren Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist, um einen Raum zwischen dem thermisch leitenden Substrat und der Unterseite der Leiterplatte zu umgrenzen,
zumindest einer Durchkontaktierung zur Schaffung einer elektrischen Verbindung von dem Halbleiterbauteil zu der Oberseite der Leiterplatte,
zumindest einem Kontaktierungsdraht, der das Halbleiterbauteil mit der Durchkontaktierung verbindet, und
zumindest einem weiteren Bauteil, das auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte befestigt und mit der Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist.
19. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers befestigt ist.
20. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers über zumindest ein Leiterplatten-Abstandsstück gehaltert und auf dem Kühlkörper mit Hilfe von zumindest einer Schraube befestigt ist.
21. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem thermisch leitenden Substrat und der Unterseite der Leiterplatte ein Vergußmaterial enthält.
22. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergußmaterial ein Gel ist.
23. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der Ansprüche 18-22, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat ein isoliertes Metallsubstrat ist.
24. Halbleiterbauteil-Moduleinheit mit einem Basisträger mit oberen und unteren Oberflächen und einer darin ausgebildeten Öffnung, die sich von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche erstreckt, wobei eine Länge und eine Breite des Basisträgers einen ersten Bereich festlegt, mit einem ebenen thermisch leitenden Substrat, das in der Öffnung des Basisträgers derart angeordnet ist, daß eine untere Oberfläche des Substrates für einen Kontakt mit einem externen Kühlkörper angeordnet ist, der unter der unteren Oberfläche des Basisträgers liegt, wobei eine Länge und eine Breite des ebenen thermisch leitenden Substrates einen zweiten Bereich festlegen, derart, daß der erste Bereich zumindest angenähert sechsmal größer als der zweite Bereich ist, mit zumindest einem auf der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigten Halbleiterbauteil, mit zumindest einer Leiterplatte, die oberhalb der oberen Oberfläche des Basisträgers und in Abstand von diesem angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, die oberhalb des thermisch leitenden Substrates liegt, mit zumindest einem weiteren Bauteil, das auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist, wobei die obere Oberfläche der Leiterplatte zumindest einen Anschlußkissenbereich aufweist, der an einem Umfang der Öffnung in der Leiterplatte angeordnet ist und elektrisch mit dem anderen Bauteil verbunden ist, mit zumindest einem Kontaktierungsdraht zur Kontaktierung des einen Halbleiterbauteils mit dem Anschlußkissen, und mit einem Deckel, der eine ebene obere Oberfläche aufweist, die oberhalb der Leiterplatte und dem thermisch leitenden Substrat liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitendes Abschirmmaterial auf den Deckel aufgebracht ist, um die Abstrahlung von Hochfrequenzstörungen von dem zumindest einem Kontaktierungsdraht zu verringern.
25. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel aus dem leitenden Abschirmmaterial hergestellt ist.
26. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel eine Halterung für zumindest einen Kondensator ergibt.
27. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der Ansprüche 24-26, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kondensator und ein zweiter Kondensator, jeweils mit Zylinderform und mit einer Seitenfläche, mit ihren jeweiligen Seitenflächen auf einer ersten Ebene bzw. einer zweiten Ebene oberhalb des Deckels mit Hilfe einer Tragstruktur gehaltert sind, wobei die Tragstruktur ein erstes Anschlagelement, das die seitliche Bewegung des ersten Kondensators beschränkt, um diesen an einem Herunterfallen von der Oberseite des Deckels zu hindern, und ein zweites Anschlagelement aufweist, das die seitliche Bewegung des zweiten Kondensators beschränkt, wobei das zweite Anschlagelement einstückig an einer Halterungs­ einrichtung angebracht ist, um den zweiten Kondensator in Vertikalrichtung auf einer Ebene oberhalb der Oberseite der ersten Platte zu haltern, wobei das Anschlagelement verhindert, daß der zweite Kondensator von der Oberseite des Deckels herunterfällt, und wobei das erste Anschlagelement, das zweite Anschlagelement und die Halterungseinrichtung einstückig auf der Oberseite des Deckels ausgebildet sind.
28. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergußmaterial in einem Raum enthalten ist, der durch den Formdeckel und die Leiterplatte gebildet ist.
29. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergußmaterial ein Gel ist.
30. Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der Ansprüche 24-29, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat ein isoliertes Metallsubstrat ist.
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