DE10056832B4 - Halbleiterbauteil-Moduleinheit - Google Patents
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Abstract
Halbleiterbauteil-Moduleinheit mit:
einem Kühlkörper (21), der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist,
einem planaren thermisch leitenden Substrat (22) mit einer oberen Oberfläche, auf der mindestens ein Halbleiterbauteil befestigt ist, und mit einer unteren Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers (21) verbunden ist,
einer Leiterplatte (27A), die oberhalb der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22) und mit Abstand von dieser angeordnet ist, mit einer oberen Oberfläche, an der mindestens ein Bauteil (15) befestigt ist, das mit dem Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat (22) verbunden ist, und mit einer unteren Oberfläche, die dem thermisch leitenden Substrat (22) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitende Substrat (22) kleinflächiger als die Leiterplatte (27A) ausgebildet ist,
dass eine Umschließungseinrichtung (20) aus Isoliermaterial zwischen der unteren Oberfläche der Leiterplatte (27A) und der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22) angeordnet ist, die einen Raum...
einem Kühlkörper (21), der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist,
einem planaren thermisch leitenden Substrat (22) mit einer oberen Oberfläche, auf der mindestens ein Halbleiterbauteil befestigt ist, und mit einer unteren Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers (21) verbunden ist,
einer Leiterplatte (27A), die oberhalb der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22) und mit Abstand von dieser angeordnet ist, mit einer oberen Oberfläche, an der mindestens ein Bauteil (15) befestigt ist, das mit dem Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat (22) verbunden ist, und mit einer unteren Oberfläche, die dem thermisch leitenden Substrat (22) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitende Substrat (22) kleinflächiger als die Leiterplatte (27A) ausgebildet ist,
dass eine Umschließungseinrichtung (20) aus Isoliermaterial zwischen der unteren Oberfläche der Leiterplatte (27A) und der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22) angeordnet ist, die einen Raum...
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 A beschrieben. Wenn jedoch sowohl Hochleistungsals 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. - Aus der
DE 35 38 933 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem ein Substrat aus mit Kupfer beschichteten Keramikplatten gebildet ist, wobei eine unten liegende Kupferfolie der untersten Keramikplatte zur Anlage an einen Kühlkörper bestimmt ist, und wobei die oben liegende Keramikplatte Aussparungen zur Aufnahme von Halbleiter-Bauteilen aufweist, wobei jedoch keine von diesem Substrat getrennten Leiterplatte vorgesehen ist. - Aus der
DE 693 25 953 T2 ist weiterhin ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem über einem auf einem Kühlkörper befestigten Substrat eine weitere Leiterplatte über eine Relativbewegung ermöglichende elastische Drahtverbindungen befestigt ist. Sowohl das Substrat als auch die Leiterplatte sind in einem Gehäuse angeordnet, das zum Schutz vor Umwelteinflüssen hermetisch abgeschlossen sein muss. Hierdurch ergibt sich ein relativ großes Gehäuse, da nicht nur die Halbleiterbauteile, die auf dem Substrat befestigt sind, geschützt werden, sondern auch die weitere Leiterplatte, die zusätzliche Bauelemente trägt. - Aus der
US 5 672 414 A ist weiterhin ein Halbleiter-Modul bekannt, bei dem Leistungshalbleiter-Bauteile auf einem isolierten wärmeleitenden Substrat angeordnet sind, über dem eine weitere Leiterplatte angeordnet ist. Einzelne Abstandselemente erstrecken sich zwischen diesen beiden Leiterplatten und sind entweder als leitende Stifte, die sowohl mit Leiterbahnen des Substrats als auch der Leiterplatte verbunden sind, oder als isolierende Abstandselemente ausgebildet, die auf dem Substrat aufliegen und sich durch Öffnungen in der Leiterplatte hindurch erstrecken, wobei diese Abstandselemente in ihrem Inneren Verbindungselemente tragen, die eine Verbindung der Leiterbahnen des Substrats mit den Leiterbahnen der Leiterplatte ermöglichen. Insbesondere in letzterem Fall ergibt sich ein zusätzlicher Raumbedarf für die Durchführungselemente, so dass der Gesamt-Raumbedarf der Halbleiter-Moduleinheit vergrößert wird und eine sorgfältige Ausrichtung für Durchführungselemente mit den jeweiligen Leiterbahnen bei der Fertigung der Moduleinheit erforderlich ist. - 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), das heißt 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 in einer Umschließungseinrichtung in Form 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 Drahtkontaktierungsverbindungen 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 ergibt 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, Versorgungsleitungs-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 Durchgangsöffnung 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, Störschutzschaltungen, 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, Filterkondensatoren und Induktivitäten können eine spezielle Befestigung und Zwischenverbindungen 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 Anschlussverbindungen 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 Übertemperaturschutz, Treiberschaltungen, Eingangs-/Ausgangsfilter, PFC-Schaltungen, Bremsschaltungen, einen Steuer-Mikroprozessor und eine Tastatur.
- Die Halbleiterbauteil-Moduleinheit schließt 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 Anschlusskissenbereich 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.
- 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 Halbleiterbauteil-Moduleinheit schließt 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 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:
-
1A ,1B ,1C und1D Ansichten von oben, von der Seite, von der Vorderseite bzw. von der Rückseite einer anpassbaren planaren Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
2 eine Draufsicht auf die Moduleinheit nach den1A –1D , wobei das IMS freigelegt ist, -
3 das IMS-Substrat und dessen Zwischenverbindungen zu der Leiterplatte nach2 mit weiteren Einzelheiten, -
4A eine Querschnittsansicht der Leiterplatte nach1A entlang der Linien 4-4, -
4B eine Draufsicht auf die Leiterplatte, -
5A und5B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpassbaren planaren Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
6A bzw.6B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
7A und7B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
8A bzw.8B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
9A und9B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpassbaren planaren Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
10A und10B eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer anpassbaren planaren Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
11 eine Draufsicht auf eine anpassbare planare Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
12 eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung eines IMS, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
13A und13B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Beispiels einer Steuer-Moduleinheit für einen 1/2 HP-Motor, die das IMS nach13 aufnehmen kann, -
14 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, -
15 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet und einen Kühlkörper mit einer erhöhten Plattform unterhalb des thermisch leitenden Substrates einschließt, -
16 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit, die einen Kühlkörper mit einer erhöhten Plattform ähnlich der Moduleinheit nach2 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, -
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, -
18 eine Querschnittsansicht einer bekannten 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, -
18A eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbauteil-Moduleinheit ähnlich der5 , die weiterhin eine Halterungsstruktur für die Halterung von Kondensatoren über einer Abdeckung zeigt. - Es wird zunächst auf die
1 Bezug genommen, in deren1A –1D eine anpassbare planare Moduleinheit (APM)100 gezeigt ist. - Die APM schließt einen Basisträger
102 ein, der eine Leiterplatte110 trägt. Oberhalb der gedruckten Leiterplatte110 sind verschiedene elektrische Bauteile befestigt, unter Einschluß einer Drossel124 , von Widerständen130 ,131 ,132 ,133 ,134 , von Kondensatoren136 ,138 , eines Transformators148 , von Induktivitäten141 und146 sowie zusätzlichen Schaltungselementen140 ,142 und144 sowie149 und anderen Bauteilen143 ,145 ,147 (2 ), die alle über (nicht gezeigte) gedruckte Leiterbahnen auf der Leiterplatte110 miteinander verbunden sind. Weiterhin sind Eingangs-/AusgangsAnschlussstifte127 und129 und Anschlüsse122A –122F vorgesehen, die externe Anschlüsse an die Leiterplatte ergeben. Eine Tragschale166 ruht auf der Oberseite der Leiterplatte110 und trägt Kondensatoren126 und128 , die elektrisch mit der Leiterplatte110 verbunden sind, und die durch einen Riemen130 an ihrem Platz gehalten werden. -
2 zeigt die in1A gezeigte Draufsicht der APM100 , wobei jedoch die Tragschale und deren Kondensatoren entfernt sind. Eine in der Leiterplatte110 ausgebildete Öffnung160 liegt oberhalb eines isolierten Metallsubstrates (IMS)150 . Anschlusskissen164 sind um den Umfang der Öffnung160 herum angeordnet und elektrisch mit den anderen auf der Leiterplatte befestigten Bauteilen verbunden. Kontaktierungsdrähte156 ergeben elektrische Verbindungen zwischen den Anschlusskissen164 der Leiterplatte und den auf dem IMS150 befestigten Bauteilen. -
3 zeigt die Draufsicht des IMS sowie eines Teils der Leiterplatte110 , der die Öffnung160 umgibt, mit weiteren Einzelheiten. Auf der Oberseite des IMS150 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 Materials150 befestigt, wie z. B. Kupfer. Weiterhin sind auf den oberen Oberflächen der Bauteile Anschlusskissenbereiche vorhanden. Kontaktierungsdrähte156 ergeben Verbindungen von den verschiedenen Bauteilen sowie von dem Anschlusskissen164 zu dem leitenden Muster und den Anschlusskissenbereichen der IMS-Bauteile. -
4A zeigt eine Querschnittansicht der Konstruktion nach2 entlang der Linie 4-4. Das IMS weist einen relativ dicken Körper152 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 obengenanntenUS-Patentschrift 5 408 128 A 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 Leiterplatte110 liegt, und derart, dass die untere Oberfläche des Körpers152 koplanar zu der unteren Oberfläche104 des Trägerkörpers102 oder unterhalb dieser liegt und für einen thermischen Kontakt mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper verfügbar ist. Weiterhin sind vorzugsweise erhöhte Abschnitte106 und108 vorgesehen, die sich von dem Trägerkörper102 erstrecken und die Leiterplatte110 an der Öffnung bzw. am Umfang der Leiterplatte110 abstützen. Die erhöhten Abschnitte106 und die Öffnung in der Leiterplatte bilden einen Hohlraum oberhalb des IMS, der mit einem Vergussmaterial158 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. -
4B zeigt ein Beispiel einer Leiterplatte210 , die zur Befestigung von Bauteilen geeignet ist und eine Öffnung260 aufweist, die über dem IMS angeordnet werden kann und in der erfindungsgemäßen Weise verwendet wird. - In vorteilhafter Weise 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 andere Gehäuseanordnungen für Motorsteuergeräte im Bereich von 0,1–1,0 HP entwickelt.
- Die
5A und5B zeigen ein Beispiel eines APM-Gehäuses500 für Geräteanwendungen ohne Eingangs-/Ausgangsfilter. Ein Formschalen-Basisträger502 trägt eine gedruckte Leiterplatte510 und weist eine Öffnung auf, durch die hindurch das IMS550 befestigt ist. Die untere Oberfläche des IMS550 steht mit einem Kühlkörper570 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 Öffnung560 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 Vergussmaterial558 hoher Qualität einen Hohlraumbereich oberhalb des IMS, und ein Vergussmaterial559 geringerer Qualität ist in übrigen Bereichen der Moduleinheiten vorhanden. Es sei weiterhin bemerkt, dass Bauteile528 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-Anschlussstifte524 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 Eingangsschaltungen512 befinden sich auf dem IMS550 , und andere Bauteile528 befinden sich auf der Leiterplatte310 . Die Länge von 7,62 cm ist eine zu Schutzzwecken vorgesehene maximale Größe, wobei genau angepaßte Produkte eine kleinere Größe aufweisen können. - Die
6A und6B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter-APM-Gehäuses600 mit vollständigen Eingangs-/Ausgangsfiltern. Diese Ausführungsform ist ähnlich der Geräte-APM500 , jedoch mit der Ausnahme, dass eine zusätzliche gedruckte Leiterplatte640 hinzugefügt ist, um die Induktivitäten und Kondensatoren der Eingangs-/Ausgangs-Filter zu tragen. Die zusätzliche Leiterplatte640 ist mit der Leiterplatte610 durch einen Zwischenverbindungs-Leiterrahmen615 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. Die6A und6B zeigen eine einfache Schale mit auf dem Markt erhältlichen Anschlüssen622 . Alternativ zeigen die7A und7B eine im wesentlichen ähnliche APM700 mit einer Schale702 und integrierten Anschlüssen722 . 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-/Ausgangsanschlüsse624 sind ebenfalls gezeigt. - Die
8A und8B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter-APM-Gehäuses800 ohne Filter. Das Gehäuse ist ähnlich dem nach den6A ,6B und7A ,7B mit der Ausnahme, dass die Körperhöhe dadurch verringert ist, dass die zusätzliche Leiterplatte fortgelassen ist, die ansonsten die Filterschaltung trägt. Stattdessen ist ein Versorgungsleitungskondensator826 unterhalb der unteren Oberfläche des Basisträgers802 , jedoch in Entfernung von dem Kühlkörper870 befestigt. Obwohl die8A und8B integrierte Schalen-Anschlüsse822 zeigen, können auch im Handel erhältliche Anschlüsse verwendet werden. - Die APM-Gehäuse nach den
6A ,6B ,7A ,7B und8A ,8B können weiterhin modifiziert werden, um eine Tastatur612 ,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
9A und9B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vollständigen Motoransteuerungs-APM900 mit integrierten Anschlüssen922 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hier ist ein Formdeckel904 gezeigt, der eine Eingangs-/Ausgangs-Steckverbindung5911 ,921 , eine Leuchtdiode913 und Belüftungsöffnungen917 aufweist. - Die
10A und10B . zeigen ein weiteres Beispiel von Draufsichten bzw. Querschnittsansichten einer vollständigen Motoransteuer-APM901 mit daran befestigten Anschlüssen982 . Die daran befestigten Anschlüsse982 ersetzen die integrierten Anschlüsse922 nach den9A und9B . -
11 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer vollständigen Motortreiber-APM1103 . Bei diesem Beispiel befinden sich integrierte Anschlüsse1122A und1122B an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses. -
12 zeigt ein weiteres Beispiel eines IMS1250 , das aus mehreren Transistoren, IGBT-Bauteilen, Dioden und Widerständen besteht, die miteinander verbunden und mit äußeren Bauteilen verbunden sind. - Die
13A und13B zeigen eine Ausführungsform einer 1/2 HP (375 W) Motorsteuer-Moduleinheit- und Ansteuerschaltungs-APM-Moduleinheit1200 , die ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies gezeigt ist, schließt die Moduleinheit eine Treiber-Leiterplatte1210 ein und nimmt ein IMS1250 auf, wie es beispielsweise in13 gezeigt und mit der Treiber-Leiterplatte verbunden ist. Eine Steuer-Leiterplatte1240 kann in der Moduleinheit enthalten sein und oberhalb der Treiber-Leiterplatte angeordnet werden, und eine weitere wahlweise vorgesehene Tastatur1244 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 Tastatur1244A ebenfalls in der Moduleinheit enthalten und oberhalb der verlängerten Leiterplatte angeordnet sein. - In vorteilhafter Weise ermöglichen die neuartigen Merkmale der vorstehenden Ausführungsformen der APM 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-Kriechstrecken-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
18 Bezug genommen, in der eine APM90 gemäß der in demUS-Patent 6 147 869 A gezeigt ist. Die18 zeigt eine APM, die ein thermisch leitendes Substrat22 einschließt, das thermisch mit einem Kühlkörper21 verbunden ist, so dass die Wärme, die von einem Halbleiterbauteil23 erzeugt wird, das sich auf dem thermisch leitenden Substrat22 befindet, abgeleitet werden kann. Eine Schale5 ist zur Aufnahme der Bauteile der Moduleinheit vorgesehen. Ein Hohlraum6 in der Schale ermöglicht eine elektrische Verbindung des Halbleiterbauteils mit einem (nicht gezeigten) Bauteil auf einer Leiterplatte27 , die auf der Oberseite der Schale5 befestigt ist, mit Hilfe einer Drahtkontaktierung40 , die sich durch den Hohlraum6 in der Schale und einen Hohlraum7 erstreckt, der in der Leiterplatte27 vorgesehen ist. Wie dies gezeigt ist, sind der Hohlraum7 in der Leiterplatte und der Hohlraum6 in der Schale5 miteinander ausgerichtet, um den Durchgang des Kontaktierungsdrahtes40 zu ermöglichen. Der Kontaktierungsdraht40 ist elektrisch an einem Ende mit dem Halbleiterbauteil23 und am anderen Ende mit einem Verbindungskissen55 verbunden. Das Verbindungskissen55 ist elektrisch mit einem Bauteil oder Gerät auf der Leiterplatte verbunden, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil23 und dem Bauteil oder Gerät ermöglicht wird. Es sind so viele Anschlusskissen vorgesehen, wie dies erforderlich ist. Die Anschlusskissen können entlang des Umfanges des Hohlraumes7 in der Leiterplatte27 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 Deckel25 ist über dem Hohlraum7 in der Leiterplatte27 vorgesehen, um einen Raum8 über dem thermisch leitenden Substrat zu umschließen. Der eingeschlossene Raum8 enthält eine Vergussmasse50 . - Die vorstehende Moduleinheit wurde ausführlich in dem
US-Patent 6 147 869 A beschrieben. Diese Moduleinheit kann weiterhin dadurch verbessert werden, dass der Deckel25 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 Kontaktierungsdrähten ausgehen. - Wie dies weiterhin in
18A gezeigt ist, kann die Oberseite des Deckels so modifiziert werden, dass sie Merkmale zur Halterung von Kondensatoren einschließt. Die spezielle in18A gezeigte Ausführungsform schließt einen Deckel25A ein, der modifiziert wurde, um eine Halterung für zwei Kondensatoren126 ,128 , nämlich einen ersten Kondensator126 und einen zweiten Kondensator128 , zu bilden. Die Kondensatoren126 und128 weisen beide einen zylindrischen Querschnitt auf und ruhen mit ihren Seiten auf der Oberseite des Deckels. Der erste Kondensator126 ruht auf einer ersten Ebene, die im wesentlichen parallel zur Ebene der Oberseite des Deckels sein kann. Der zweite Kondensator128 ruht auf einer Tragschale166 , 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 Leiterplatte27 unter der Tragschale131 mit ausreichendem vertikalen Abstand für die Anbringung von Bauteilen auf der Leiterplatte27 zur Verfügung, wie dies gezeigt ist. - Zwei Anschlagelemente
29 ,28 , nämlich ein erstes Anschlagelement29 und ein zweites Anschlagelement28 , ergeben eine seitliche Halterung, so dass die Kondensatoren126 ,128 nicht von dem Deckel herunterfallen. Das erste Anschlagelement29 verhindert, dass der erste Kondensator128 von einer Kante des Deckels heruntergleitet oder herunterfällt, während das zweite Anschlagelement28 verhindert, dass der zweite Kondensator126 von einer gegenüberliegenden Kante des Deckels heruntergleitet oder herunterfällt. Die Tragschale131 , die zwei Anschlagelemente28 ,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 dem
US-Patent 6 147 869 A beschrieben ist und wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, ergeben Modifikationen dieser Ausführungsform weitere vorteilhafte Merkmale, wie dies nachfolgend beschrieben wird. - In
14 ist eine flexible Leistungsbaugruppe (FPA)60 gezeigt, die ein oder mehrere Halbleiterbauteile23 einschließt, die auf der Oberseite eines thermisch leitenden Substrates22 befestigt sind. Das thermisch leitende Substrat22 ist direkt an einem Kühlkörper angebracht. Eine Leiterplatte27 ist oberhalb des thermisch leitenden Substrates22 vorgesehen. Die Leiterplatte27 schließt einen Hohlraum10 ein, der über dem thermisch leitenden Substrat22 angeordnet ist. Die Außenkanten der Oberseite des thermisch leitenden Substrates22 sind durch doppelklebendes Klebeband43 oder andere geeignete Einrichtungen an der Unterseite der Leiterplatte27 entlang der Unterkanten des Hohlraumes10 angebracht, derart, dass der Hohlraum10 durch das thermisch leitende Substrat22 verschlossen ist. - Ein Anschlusskissen
55 ist auf dem Umfang des Hohlraumes auf der Oberseite der Leiterplatte27 angeordnet und mit zumindest einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte27 verbunden. Ein Kontaktierungsdraht40 verbindet elektrisch das Halbleiterbauteil23 mit dem Anschlusskissen55 , wodurch das Halbleiterbauteil elektrisch mit dem Bauteil auf der Leiterplatte verbunden wird. Es ist weiterhin ein weiteres Halbleiterbauteil24 gezeigt, das mit einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte27 über einen Kontaktierungsdraht41 in Verbindung steht, der elektrisch mit einem weiteren Anschlusskissen56 verbunden ist. - Ein Formdeckel
25 ist über dem Hohlraum10 in der Leiterplatte27 angeordnet, um einen Raum über den freiliegenden Halbleiterbauteilen zu umschließen. Eine Vergussmasse50 ist in dem Raum enthalten. Leiterplatten-Abstandsstücke42 ,44 ergeben eine Halterung für die Leiterplatte27 , wobei eine Schraube45 oder andere geeignete Befestigungseinrichtungen, wie z. B. eine Klammer, die Leiterplatte27 an dem Kühlkörper21 befestigen. - Die FPA nach
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
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
15 ist eine weitere Ausführungsform einer FPA70 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform schließt ein Kühlkörper26 einen erhöhten Abschnitt ein, der eine Plattform unter dem thermisch leitenden Substrat22 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 Leiterplatte27 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 Beschichtung26A , die auf den Kühlkörper aufgebracht ist oder mit diesem verbunden wird, Sicherheitsbedenken beseitigen. - Die in
15 gezeigte Ausführungsform 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 nach14 gezeigt ist. - Ein weiterer vorteilhafter Gesichtspunkt der in
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 ist in16 gezeigt. Diese Figur zeigt eine FPA mit einem Kühlkörper26 , der eine Plattform unter einem thermisch leitenden Substrat22 aufweist. Ein elektrisches Anschlusskissen71 ,71A ist auf dem Substrat vorgesehen und steht über einen Kontaktierungsdraht40 in elektrischer Verbindung mit einem Halbleiterbauteil23 . Der Kontaktierungsdraht kann elektrisch mit einem elektrischen Anschlusskissen verbunden sein, das sich auf dem Substrat22 befindet und das elektrisch mit dem elektrischen Anschlusskissen71 verbunden ist. Ein weiteres elektrisches Anschlusskissen70 ist auf der Leiterbahn27 vorgesehen, und dieses Anschlusskissen ist elektrisch mit einem anderen (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte27 verbunden. Das elektrische Anschlusskissen70 ,70A auf der Leiterplatte und das elektrische Anschlusskissen71 auf dem thermisch leitenden Substrat stehen miteinander in Berührung, um eine elektrische Verbindung zwischen einem Halbleiterbauteil23 und einem (nicht gezeigten) Bauteil auf der Leiterplatte27 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. -
17 zeigt eine Ausführungsform einer FPA90 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Leiterplatte27A oberhalb und in Abstand von einem thermisch leitenden Substrat22 angeordnet. Es ist kein Hohlraum in der Leiterplatte27A vorgesehen. Eine Umschließungseinrichtung20 ist zwischen der Unterseite der Leiterplatte27A und der Oberseite des thermisch leitenden Substrates22 angeordnet. Die Umschließungseinrichtung20 umschließt einen Raum oberhalb des thermisch leitenden Substrates22 , der ein geeignetes Vergussmaterial50 enthält. Es ist weiterhin eine Durchkontaktierung30 oder eine Vielzahl von Durchkontaktierungen in der Umschließungseinrichtung20 vorgesehen, um elektrisch ein Bauteil15 mit einem Halbleiterbauteil23 auf dem elektrisch leitenden Substrat22 zu verbinden. Die Umschließungseinrichtung ist aus einem geeigneten Isoliermaterial hergestellt. Ein Kontaktierungsdraht40 , der an einem Ende in elektrischer Verbindung mit dem Halbleiterbauteil23 und am anderen Ende in elektrischer Verbindung mit einer Durchkontaktierung30 steht, ergibt somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil23 und dem Bauteil15 oder anderen Bauteilen auf der Leiterplatte27A . - Die Ausführungsform der Erfindung gemäß
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.
Claims (6)
- Halbleiterbauteil-Moduleinheit mit: einem Kühlkörper (
21 ), der eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, einem planaren thermisch leitenden Substrat (22 ) mit einer oberen Oberfläche, auf der mindestens ein Halbleiterbauteil befestigt ist, und mit einer unteren Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Kühlkörpers (21 ) verbunden ist, einer Leiterplatte (27A ), die oberhalb der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22 ) und mit Abstand von dieser angeordnet ist, mit einer oberen Oberfläche, an der mindestens ein Bauteil (15 ) befestigt ist, das mit dem Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat (22 ) verbunden ist, und mit einer unteren Oberfläche, die dem thermisch leitenden Substrat (22 ) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitende Substrat (22 ) kleinflächiger als die Leiterplatte (27A ) ausgebildet ist, dass eine Umschließungseinrichtung (20 ) aus Isoliermaterial zwischen der unteren Oberfläche der Leiterplatte (27A ) und der oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrats (22 ) angeordnet ist, die einen Raum zwischen der Leiterplatte (27A ) und dem thermisch leitenden Substrat (22 ) umschließt und zumindest eine Durchkontaktierung (30 ) zur elektrischen Verbindung des zumindest einen Halbleiterbauteils auf dem thermisch leitenden Substrat (22 ) mit dem zumindest einen Bauteil (15 ) auf der Leiterplatte (27A ) aufweist, wobei die Durchkontaktierung (30 ) durch zumindest einen Kontaktierungsdraht (40 ) mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil auf dem thermisch leitenden Substrat (22 ) verbunden ist. - Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (
27A ) an der oberen Oberfläche des Kühlkörpers (21 ) außerhalb des thermisch leitenden Substrats (22 ) befestigt ist. - Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (
27A ) auf dem Kühlkörper (21 ) mit zumindest einem Abstandsstück gehaltert und mittels einer Schraube befestigt ist. - Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Umschließungseinrichtung (
20 ) umschlossene Raum zwischen der Leiterplatte (27A ) und dem thermisch leitenden Substrat (22 ) ein Vergussmaterial (50 ) enthält. - Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial (
50 ) ein Gel ist. - Halbleiterbauteil-Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitende Substrat (
22 ) ein isoliertes Metallsubstrat ist.
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Owner name: SILICONIX TECHNOLOGY C.V., SINGAPORE, SG |
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