DE19630173A1 - Semiconductor power module for current rectifier - Google Patents

Semiconductor power module for current rectifier

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Abstract

The module has at least one module plate (1) on which at least one chip formed active semiconductor component (10) and contact surfaces (8) are provided. Each component is conductively coupled to corresponding surfaces by connection elements. The module also has a housing (20) formed for a pressure contact. The plate is electrically connected to the surfaces via compression springs (22,24) in the housing. The surfaces of the circuit boards are fastened by elements (40), and have electrical contact to cooling surfaces. The module plate is connected and mechanically put under pressure. The housing in connection with a pressure member (30) form a parallel construction and good pressure distribution at all contact points.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungsmodul mit Halbleiterbauelementen, insbesondere ein Stromumrichtermodul nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, das für direkte Druckkontakt­ verbindungen aller Leistungs- und Ansteueranschlüsse mit der äußeren Verschaltung und Kontaktierung geeignet ist. Direkte Druckkontaktverbinder sind aus der Technologie der Herstellung von Halbleitermodulen als Verbindungstechnik hinlänglich bekannt. Leistungsanschlüsse für sehr große Ströme und Stromdichten werden nach dem Stand der Technik als Schraub- oder Druckkontakte stoffbündig oder durch Löten bzw. Schweißen stoffschlüssig ausgeführt. Die Integration von passiven Bauelementen, wie sie für die Komplettierung der elektronischen Schaltung gleichfalls erforderlich sind, ist wegen deren stark temperaturabhängigen Verhaltens nach dem Stand der Technik bisher kaum praktikabel.The invention describes a power module with semiconductor components, in particular a Power converter module according to the preamble of claim 1, which for direct pressure contact Connections of all power and control connections with the external connection and Contacting is suitable. Direct pressure contact connectors are based on the technology of Manufacture of semiconductor modules well known as connection technology. Power connections for very large currents and current densities are according to the state of the art Technology as screw or pressure contacts, flush with the material or by soldering or welding cohesive. The integration of passive components, such as those for the Completion of the electronic circuit are also necessary because of it strongly temperature-dependent behavior according to the prior art has so far hardly been practicable.

Die Kontaktsicherheit von Leistungsmodulen ist bei Dauer- oder Wechsellastbetrieb von entscheidender Bedeutung für die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung. Die äußeren Anschlüsse müssen bei wechselnden thermischen und elektrischen Belastungen immer einen sicheren Kontakt zu den internen Kontaktstellen aller Anschlüsse der Schaltungsanordnung gewährleisten. Bei stoffschlüssigen Verbindungen wird durch das "Aufgehen" der Kontaktstellen und bei stoffbündigen Kontakten durch das Erlahmen der Druckkräfte eine Funktionsstörung des gesamten Moduls in realer Zeit verursacht. Zur Erzielung einer höheren Lebensdauer sind aus der Literatur zu dieser Problematik viele Beschreibungen bekannt. Um das Erreichen einer unbegrenzten Lebensdauer wird gerungen. The contact reliability of power modules is in the case of continuous or alternating load operation crucial for the functional reliability of the circuit arrangement. The outer Connections must always be one with changing thermal and electrical loads Secure contact to the internal contact points of all connections of the circuit arrangement guarantee. In the case of integral connections, the "opening" of the Contact points and in the case of flush-fitting contacts by the relaxation of the compressive forces Malfunction of the entire module caused in real time. To achieve a higher Many descriptions of the lifespan of this problem are known from the literature. Around the struggle to achieve an unlimited lifespan.  

Zur Erzielung höchster Packungsdichten in Modulen ist zumindest ein teilweiser Druckkontakt für einzelne Schaltungsverbindungen zu realisieren und zum Erreichen einer großen Lebensdauer erforderlich. Die Technologie der Druckkontaktierung ist bedingt durch die Erfordernisse der Hermetisierung gegenüber der Atmosphäre relativ jung und in jüngster Zeit durch Schaffen aller Voraussetzungen für eine praktizierbare Technik relevant.In order to achieve the highest packing densities in modules, there is at least a partial pressure contact for individual circuit connections and to achieve a large one Lifetime required. The technology of pressure contacting is due to the Hermeticization requirements relative to the atmosphere are relatively young and recent relevant by creating all the prerequisites for a practicable technique.

In DE 35 08 456 A1 wird ein Druckkontaktaufbau in seiner Anwendung bei der Herstellung von Leistungshaibeitermodulen beschrieben. Durch Verschraubungen wird die in dem Gehäuse vorhandene innere Spannkraft zum Drücken der Isolierkeramik bzw. der Leistungshalbleiter auf die Kühlfläche herangezogen. Das Nachlassen der Spannkraft des Gehäuses als Element des Druckaufbaues spricht gegen eine lange Lebensdauer der so aufgebauten Module.DE 35 08 456 A1 describes a pressure contact structure in its application in manufacture described by power modules. The screw connections in the housing existing internal clamping force for pressing the insulating ceramic or the power semiconductors pulled onto the cooling surface. The release of the tension of the housing as an element of the pressure build-up speaks against a long service life of the modules constructed in this way.

In DE 41 37 200 A1 wird ein als Brückenelement ausgebildetes Gehäuse zum Druckaufbau verwendet. Die in einzelnen Teilbezirken des Brückenelementes unterschiedlichen Masseverteilungen können ein unterschiedliches Fließverhalten bei Wechselbelastung zeigen, wodurch die eingestellte Druckkraft in einzelnen Teilbezirken des Modulaufbaus verändert wird, was negative Wirkungen auf die Zuverlässigkeit haben kann.DE 41 37 200 A1 describes a housing designed as a bridge element for building up pressure used. The different in individual sub-areas of the bridge element Mass distributions can show a different flow behavior under alternating loads, whereby the set pressure force changes in individual sub-areas of the module structure becomes what can have negative effects on reliability.

In einer früheren Anmeldung, der DE 195 31 496, wird ein druckgebendes Gehäuse mit gleichartig ausgebildeten Drucklippen vorgestellt, wodurch bei Beachtung der übrigen Aufbauvorschriften eine gleichartige Druckverteilung auf alle Verlustwärme erzeugenden Bauteile des Modules gegeben ist, dabei wird jedes einzelne Bauteil federnd gedrückt.In an earlier application, DE 195 31 496, a pressure-generating housing is used similarly designed pressure lips are presented, which, if the other is observed Construction regulations a uniform pressure distribution on all heat losses Components of the module is given, each individual component is pressed resiliently.

Beschreibungen von kompletten Motoransteuerungen integriert mit entsprechend leistungsfähigen Stromumrichtern werden mit DE 36 30 830 A1 und in DE 44 43 498 vorgestellt, wobei in beiden Vorveröffentlichungen nicht unbedingt ein hybrider Aufbau der Einzelbauteile beschrieben wird, aber Druckkontakte sind als elektrische Verbindungen zumindest teilweise erforderlich.Descriptions of complete motor controls integrated with accordingly Powerful power converters are described in DE 36 30 830 A1 and in DE 44 43 498 presented, although in both previous publications not necessarily a hybrid structure of the Individual components are described, but pressure contacts are considered electrical connections at least partially required.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Modul hoher Leistungsdichte in hybridem Schaltungsaufbau und Druckkontaktausführung mit hoher Lebensdauer und Zuverlässigkeit vorzustellen, dabei können in dem Modul neben den Leistungsschaltern weitere aktive und passive elektronische Bauelemente integriert sein.The object of this invention is an electronic module with a high power density in hybrid circuit design and pressure contact design with a long service life and To present reliability, in addition to the circuit breakers, the module can active and passive electronic components can be integrated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the measures of the characterizing part of the Claim 1 solved, preferred further developments are described in the subclaims.

Eine einfache und zerstörungsfrei wiederholbare Kontaktierung ist für Bauteile und Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse in Stromrichtern zu bevorzugen. Zerstörungsfrei lösbare Kontaktierungen können nur stoffbündig hergestellt werden. Bei dieser Verbindungstechnik müssen für eine Schaltungseinheit sichere Kontakte gegeben sein. Einerseits werden elektrisch sichere Kontakte an allen Kontaktstellen benötigt, es muß bei der Montage folglich ein gleichmäßiger Druckaufbau erreicht werden, also eine gute Druckverteilung auf alle Druckkontaktstellen erfolgen. Andererseits muß bei der Verwendung von federnden Verbindungen an jeder einzelnen Kontaktstelle für ein dynamisches Verhalten der einzelnen gedrückten Kontaktstellen und der Druckkontaktelemente bei unterschiedlicher thermische und elektrischer Belastung gesorgt werden.A simple and non-destructive repeatable contact is for components and Preferred circuit arrangements of the power class in converters. Non-destructive Detachable contacts can only be made flush with the fabric. At this Connection technology must be safe for a circuit unit. On the one hand, electrically safe contacts are required at all contact points Assembly consequently a uniform pressure build-up can be achieved, i.e. a good one Pressure is distributed to all pressure contact points. On the other hand, when using of resilient connections at each individual contact point for dynamic behavior of the individual pressed contact points and the pressure contact elements at different thermal and electrical stress are taken care of.

Beide Verbindungsarten dürfen bei Dauer- oder Wechselbelastung nicht ermüden, müssen also in der Konstruktion so gewählt sein, daß alle Aufbauelemente gleichartig in ihrer Lebenserwartung sind und in den Materialeigenschaften ein stabiles Langzeitverhalten unter Wechselbelastung ausweisen. In beiden Kontaktierarten ist es immer notwendig, die federnden Elemente in den Toleranzbereichen an allen Verbindungsstellen mit dem erforderlichen Anpreßdruck bei allen Betriebszuständen so zu gestalten, daß jede einzelne Kontaktstelle sicher kontaktiert wird und nicht durch sich aufbauende überhöhte Druckbelastungen an einzelnen Kontaktstellen eine mechanische Zerstörung des Aufbaus erfolgt.Both types of connection must not tire with permanent or alternating loads, so they must be chosen in the construction so that all structural elements are similar in their Life expectancy and the material properties are stable under long-term behavior Show alternate load. In both types of contact, it is always necessary to use the springy one Elements in the tolerance ranges at all connection points with the required Design contact pressure in all operating conditions so that each individual contact point is contacted safely and not by excessive pressure loads that build up individual contact points, the structure is destroyed mechanically.

Die erfindungsgemäßen Module für Leistungshalbleiterbauelemente kombinieren in sich die bekannten Kontaktierungsverfahren, die Einsatzgebiete werden erfindungsgemäß bis hin zur Leistungsklasse ausgedehnt. Der Erfindungsgedanken soll anhand der nachfolgend in Figuren veranschaulichten beispielhaften Aufbauten von Stromumrichtern näher erläutert werden. The modules according to the invention for power semiconductor components combine the Known contacting method, the areas of application according to the invention up to Performance class extended. The idea of the invention should be based on the following figures illustrated exemplary structures of power converters are explained in more detail.  

Fig. 1 zeigt eine Skizze der drei Hauptaufbauteile eines erfinderischen Moduls. Fig. 1 shows a sketch of the three main structural parts of an inventive module.

Fig. 2 skizziert eine zweite Variante eines erfinderischen Moduls. Fig. 2 outlines a second variant of an inventive module.

Fig. 3 bildet das Gehäuse eines erfinderisches Modul ab. Fig. 3 shows the housing of an inventive module.

Fig. 4 skizziert den Querschnitt eines erfinderisches Druckstückes. Fig. 4 outlines the cross section of an inventive pressure piece.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Gehäuses. Fig. 5 shows the cross section of a housing.

Fig. 6 erläutert den Querschnitt eines erfinderisches Modul. Fig. 6 illustrates the cross-section of an innovative module.

Fig. 1 zeigt eine Skizze der drei Hauptaufbauteile eines erfinderischen Moduls. Eine Isolierkeramik (2) dient erfindungsgemäß als Aufbauplatte für die gesamte Schaltungsanordnung des Moduls, sie verfügt, wie hier dargestellt, über mindestens eine zentralgelegene runde Öffnung (4). In den Randbereichen (6) der Durchbohrung und der Außenkontur ist diese Keramik (2), die vorzugsweise aus Aluminiumoxid hergestellt wurde, nicht metallisiert. Alle übrigen Flächen tragen ein- oder zweiseitig Metallkaschierungen (8), vorzugsweise aus Kupfer, diese sind ein- oder beidseitig nach den elektrischen Isolationserfordernissen der Schaltungsanordnung strukturiert oder unstrukturiert. Fig. 1 shows a sketch of the three main structural parts of an inventive module. According to the invention, an insulating ceramic ( 2 ) serves as a mounting plate for the entire circuit arrangement of the module. As shown here, it has at least one centrally located round opening ( 4 ). This ceramic ( 2 ), which was preferably made of aluminum oxide, is not metallized in the edge areas ( 6 ) of the through-bore and the outer contour. All other surfaces have metal claddings ( 8 ) on one or both sides, preferably made of copper, these are structured or unstructured on one or both sides according to the electrical insulation requirements of the circuit arrangement.

Auf die schaltungsgerecht strukturierte Metallkaschierung (8) der Isolierkeramik (2) werden alle für den Schaltungsaufbau erforderlichen Bauelemente, wie Leistungstransistoren (10), Dioden (12), Thermistoren (14) und Shunts oder andere elektronische Bauteile (16) aufgebracht. Vorzugsweise werden die vorgenannten Bauteile nach dem Stand der Technik gelötet und sodann gebondet (18). Erfindungsgemäß sind auf der Isolierkeramik (2) nach dem Aufbau der elektronischen Bauteile (10 bis 16) genügend Flächen der strukturierten Metallkaschierung (8) vorhanden, um die Sekundärkontaktierung der äußeren Anschlüsse vornehmen zu können. All of the components required for the circuit structure, such as power transistors ( 10 ), diodes ( 12 ), thermistors ( 14 ) and shunts or other electronic components ( 16 ), are applied to the metal lamination ( 8 ) of the insulating ceramic ( 2 ), which is structured in accordance with the circuit. The aforementioned components are preferably soldered according to the prior art and then bonded ( 18 ). According to the invention, after the construction of the electronic components ( 10 to 16 ), there are sufficient surfaces of the structured metal lamination ( 8 ) on the insulating ceramic ( 2 ) to be able to make the secondary contacting of the external connections.

Auf die gelötete und gebondete Isolierkeramik (2) wird das erfinderische Gehäuse (20) paßgenau und orientiert aufgesetzt. Das Gehäuse wurde vor der Montage mit allen Druckkontaktfedern (22) bestückt, diese können in entsprechenden Gehäuseausbildungen eingerastet sein. Es ist sehr einfach, speziell angepaßte Gehäuseformen für die geplanten Kontaktfelder der Isolierkeramik zu erstellen, nachdem die Lage der Druckkontaktfedern (22) für die Schaltungsbedürfnisse entsprechend festgelegt sind. Das ist abhängig von den realisierten Sekundärverbindungselementen, beispielhaft der Lage der Leiterplatten in Relation zu dem Gehäuse (z. B. senkrecht oder parallel zur Oberfläche der Isolierkeramik).The inventive housing ( 20 ) is placed in a precisely fitting and oriented manner on the soldered and bonded insulating ceramic ( 2 ). Before assembly, the housing was fitted with all pressure contact springs ( 22 ), which can be snapped into the corresponding housing designs. It is very easy to create specially adapted housing shapes for the planned contact fields of the insulating ceramic after the position of the pressure contact springs ( 22 ) has been determined accordingly for the circuit requirements. This depends on the secondary connection elements implemented, for example the position of the circuit boards in relation to the housing (e.g. perpendicular or parallel to the surface of the insulating ceramic).

Das Gehäuse (20) besteht aus einem druck- und thermostabilen elektrischen Isolierstoff und sitzt nach der Montage paßgenau auf dem nicht metallisierten Rand der Isolierkeramik (2) auf. Dabei ist der Gehäuserand (26) so konstruiert, daß er die Isolierkeramik umfängt, jedoch auch bei voller Druckbelastung nicht über die Kanten der unteren Isolierkeramikfläche hinausragt. Dadurch wird gewährleistet, daß bei der Anwendung des, mit dem vorgeschriebenen Drehmomentes montierten, Moduls bei elektrischem Vollast-Betrieb in jedem Falle das als Grundplatte fungierende Modulplättchen (1) einen direkten und flächigen Wärmekontakt, gegebenenfalls mittels einer Wärmeleitpaste nach dem Stand der Technik, zu dem Kühlkörper hat. Zentriert besitzt das Gehäuse eine Ausbildung in Hülsenform (28), die nach dem Aufsetzen, genau wie der Gehäuserand auf dem Keramikrand, passend auf dem nicht metallisierten Rand (6) der Durchführung (4) der Isolierkeramik (2) mit seinen Noppen aufsitzt und die Durchführung (4) in gleicher Weise umfangen wird.The housing ( 20 ) consists of a pressure- and thermostable electrical insulating material and after the installation sits on the non-metallized edge of the insulating ceramic ( 2 ) with a precise fit. The housing edge ( 26 ) is constructed in such a way that it encompasses the insulating ceramic, but does not protrude beyond the edges of the lower insulating ceramic surface even under full pressure load. This ensures that when the module mounted with the prescribed torque is used in electrical full-load operation, the module plate ( 1 ), which acts as the base plate, makes direct and flat thermal contact, possibly by means of a thermal paste according to the prior art the heat sink. Centered, the housing has a design in the form of a sleeve ( 28 ) which, after being placed on it, just like the edge of the housing on the ceramic edge, fits on the non-metallized edge ( 6 ) of the bushing ( 4 ) of the insulating ceramic ( 2 ) with its knobs and the Implementation ( 4 ) is included in the same way.

Für die spätere Montage des Moduls ist ein Druckstück (30) bei sekundärem parallelem Aufbau von Leiterplatte und Kühlkörper erforderlich. Das Druckstück ist mit einer Justieröffnung (32) versehen, um eine unverwechselbare genaue Montage zu der Lage des Gehäuses (20) mit seiner Justiernoppe (25) zu erreichen. Paßgenau zu der mindestens einen Öffnung in dem Modulplättchen (1) und der mindestens einen Hülse (28) des Gehäuses (20) besitzt das Druckstück (30) mindestens eine Durchführungsöffnung (34) für das Befestigungselement (40). Die Durchführungsöffnung (34) ist so konstruiert, daß die erforderlichen Druckkräfte nach dem Verspannen des Moduls sicher aufgefangen werden. Das Druckstück (30) selbst ist vorzugsweise aus einem stabilen, mit Glasfasern verstärktem isolierenden Kunststoff geformt und geometrisch so gestaltet, daß es zumindest die flächige Ausdehnung der Federelemente (22 und 24) überdeckt. For the later assembly of the module, a pressure piece ( 30 ) is required with a secondary parallel construction of the circuit board and heat sink. The pressure piece is provided with an adjustment opening ( 32 ) in order to achieve an unmistakable, precise assembly with respect to the position of the housing ( 20 ) with its adjustment knob ( 25 ). The pressure piece ( 30 ) has at least one lead-through opening ( 34 ) for the fastening element ( 40 ) to match the at least one opening in the module plate ( 1 ) and the at least one sleeve ( 28 ) of the housing ( 20 ). The lead-through opening ( 34 ) is constructed in such a way that the required compressive forces are safely absorbed after the module is clamped. The pressure piece ( 30 ) itself is preferably formed from a stable insulating plastic reinforced with glass fibers and geometrically designed such that it covers at least the areal extent of the spring elements ( 22 and 24 ).

Für den Einsatz wird das in Fig. 1 beschriebene Modul durch Vergießen eines Teiles des durch das Modulplättchen (1) und das Gehäuse (20) nach Zusammenfügen gebildeten Hohlraumes mittels eines Weichvergusses aus Silikonkautschuk vorbereitet. Zum Vergießen wird das Gehäuse (20) und das Modulplättchen (1) nach dem Zusammenfügen auf eine den Silikonkautschuk trennende und dichtende Unterlage positioniert, unter Druck gesetzt, mit den gemischten nicht ausgehärteten Komponenten des Zweikomponenten-Silikonkautschuks befüllt und unter Beibehalten des angelegten Druckes ausgehärtet, wodurch der Silikonkautschuk seine technologisch eingestellte Viskosität erreicht und dadurch alle Innenaufbauten hermetisiert und elektrisch voneinander und untereinander isoliert. Im druckfreien Zustand werden die Module in diesem Fertigungsgrad zum Einsatzort verbracht.The module described in FIG. 1 is prepared for use by casting a part of the cavity formed by the module plate ( 1 ) and the housing ( 20 ) after assembly by means of a soft casting made of silicone rubber. For the potting, the housing ( 20 ) and the module plate ( 1 ) are placed on a support that separates and seals the silicone rubber, put under pressure, filled with the mixed uncured components of the two-component silicone rubber and cured while maintaining the applied pressure, whereby the silicone rubber reaches its technologically adjusted viscosity and thereby hermetically seals and internally insulates all interior structures. In the pressure-free state, the modules are brought to the place of use in this degree of production.

Fig. 2 skizziert eine zweite Variante eines erfinderischen Moduls. Für eine sehr große Leistungsdichte sind alle Leistungshalbleiterbauelemente (10) auf dem Modulplättchen (1) positioniert und durch Bonden (18) schaltungsgerecht untereinander verbunden. Die Isolierkeramik (2) verlügt über zwei Durchbohrungen (4), im übrigen ist der Modulplättchenaufbau analog zu dem unter Fig. 1 beschriebenen. In das Gehäuse (20) sind Druckkontaktfedern (22) für die Kontaktierung der Hilfsanschlüsse, wie Gate-, Stromsensor- oder Thermistorkontakte, und eine davon differente Druckkontaktfeder (24) für die Kontaktierung der drei Wechselstromeingänge und der Gleichstromausgänge des dargestellten Umrichters. Fig. 2 outlines a second variant of an inventive module. For a very high power density, all power semiconductor components ( 10 ) are positioned on the module plate ( 1 ) and connected to one another in accordance with the circuit by means of bonding ( 18 ). The insulating ceramic ( 2 ) has two through holes ( 4 ); the rest of the module plate structure is analogous to that described in FIG. 1. In the housing ( 20 ) are pressure contact springs ( 22 ) for contacting the auxiliary connections, such as gate, current sensor or thermistor contacts, and a different pressure contact spring ( 24 ) for contacting the three AC inputs and the DC outputs of the converter shown.

Zwei Noppen (25) sind in den Ecken des Gehäuses zur Justage der darauf zu positionierenden Leiterplatte, die hier nicht dargestellt ist, und alternativ zum orientierten Aufsetzen des Druckstückes (30) ausgebildet. Nach dem analog zu Fig. 1 durchgeführten Zusammenfügen und Vergießen mit Silikonkautschuk erfolgt einsatzspezifisch der weitere Aufbau. Auf das Gehäuse (20) wird die nach dem Stand der Technik vorgefertigte und bestückte starre Leiterplatte orientiert aufgelegt. In den meisten Aufbauvarianten ist die Leiterplatte aus mehreren Lagen zusammengefügt und teilweise beidseitig mit den für die Schaltung erforderlichen elektronischen Bauteilen versehen. Dabei ist der Teil der unteren Lage der Leiterplatte, der die Fläche des Gehäuses (20) aufliegend überdeckt, ohne Bauelementebestückung. Two knobs ( 25 ) are formed in the corners of the housing for adjusting the circuit board to be positioned thereon, which is not shown here, and alternatively for the oriented placement of the pressure piece ( 30 ). After the assembly and casting with silicone rubber, which is carried out analogously to FIG. 1, the further construction takes place in a manner specific to the application. The rigid printed circuit board which is prefabricated and equipped according to the prior art is placed in an oriented manner on the housing ( 20 ). In most construction variants, the printed circuit board is composed of several layers and partly provided on both sides with the electronic components required for the circuit. The part of the lower layer of the printed circuit board which overlaps the surface of the housing ( 20 ) is without components.

Die mittleren Lagen sind insbesondere für die Gleichstrom-Zwischenkreise in flächiger Ausführung reserviert. Die obere Bestückungslage der Leiterplatte kann insbesondere einseitig kontaktierbare Bauteile in dem Bereich der Deckelfläche enthalten. Dazu sind dann in das Werkzeug zur Herstellung des Druckstückes entsprechend positionierte Erhebungen auszuarbeiten.The middle layers are flat in particular for the DC intermediate circuits Execution reserved. The top assembly layer of the circuit board can in particular be one-sided Contactable components included in the area of the lid surface. Then in that Tool for producing the pressure piece correspondingly positioned elevations to work out.

Durch Befestigung an einem Kühlkörper, der nicht dargestellt wurde, wird das Modul mit der Leiterplatte elektrisch schaltungsgerecht druckkontaktiert. Die Druckfedern (22 und 24) verbinden elektrisch zuverlässig alle entsprechenden Kontaktaktstellen des Modulplättchens (1) mit den Kontaktstellen der Leiterplatte. Die Dauerelastizität der Druck- (22) und Ringfedern (24) sorgen für eine ausgezeichnete Lebensdauer der Schaltungsanordnung und eine sehr gute Wechsellastbeständigkeit.By attaching to a heat sink, which was not shown, the module is electrically pressure-contacted to the circuit board. The compression springs ( 22 and 24 ) electrically reliably connect all corresponding contact contact points of the module plate ( 1 ) to the contact points of the printed circuit board. The permanent elasticity of the compression ( 22 ) and ring springs ( 24 ) ensure an excellent service life of the circuit arrangement and a very good resistance to alternating loads.

Fig. 3 bildet das Gehäuse (20) eines variierten erfinderischen Moduls aus der Unteransicht ab. Hier ist eine der Justagenoppen (25) teils verdeckt zu sehen. Analog der Fig. 1 werden hier nur Druckkontaktfedern (22) verwendet. Hier ist das auf den Keramikkontaktflächen (8) aufsitzende Ende der Feder (22) sichtbar. Dargestellt ist weiterhin im Detail der untere Rand mit seinen plastischen Erhebungen (21) zum Höhenausgleich und zur justierten Auflage auf den Außenrändern der Keramik (6) und des hier dargestellten einen Durchführungsloches (28). Die Gehäuseerhebungen (21) sind weiterhin dazu erforderlich, um dem Silikonkautschuk, der über separat dafür vorgesehene Gehäusedurchführungen (27) eingefüllt wird, in flüssiger Phase ein gleichmäßiges Verlaufen in allen Keramikregionen zu ermöglichen, wodurch gleichzeitig eine sichere elektrische Isolation realisiert werden kann. Die Hülse (28) für die Verschraubung des Gehäuses (20) ist in ihrer Länge so dimensioniert, daß sie in die Durchbohrung (4) der Isolierkeramik (1) hinein-, jedoch nicht über die Kühlauflagefläche hinausragt. Sie besitzt für die Isolationsfestigkeit des Moduls eine hervorhebenswerte Rolle. Fig. 3 shows the housing ( 20 ) of a varied inventive module from the bottom view. Here one of the adjustment knobs ( 25 ) can be seen partly hidden. Analogously to FIG. 1, only pressure contact springs ( 22 ) are used here. The end of the spring ( 22 ) resting on the ceramic contact surfaces ( 8 ) is visible here. Also shown in detail is the lower edge with its plastic elevations ( 21 ) for height compensation and for an adjusted support on the outer edges of the ceramic ( 6 ) and the one through hole ( 28 ) shown here. The housing elevations ( 21 ) are also required in order to enable the silicone rubber, which is filled in via separately provided housing bushings ( 27 ), to run evenly in all ceramic regions in the liquid phase, which means that reliable electrical insulation can be achieved at the same time. The length of the sleeve ( 28 ) for screwing the housing ( 20 ) is such that it protrudes into the bore ( 4 ) of the insulating ceramic ( 1 ), but does not protrude beyond the cooling contact surface. It has a prominent role in the insulation strength of the module.

Fig. 4 skizziert den Querschnitt eines erfinderisches Druckstückes. Dargestellt ist die Justieröffnung zur orientierten Montage des Deckels auf die Leiterplatte und die Oberfläche des Gehäuses (20). Zu Isolationszwecken ist die Durchführungsöffnung (34) für die Befestigungselement (40) in der Ausbildung so gestaltet, daß eine Verlängerungshülse (38) vorhanden ist. Deren Länge und Durchmesser ist paßgenau auf das Gehäuse (20) abgestimmt. Fig. 4 outlines the cross section of an inventive pressure piece. The adjustment opening for the oriented mounting of the cover on the printed circuit board and the surface of the housing ( 20 ) is shown. For insulation purposes, the through opening ( 34 ) for the fastening element ( 40 ) is designed in such a way that an extension sleeve ( 38 ) is present. Their length and diameter are tailored to the housing ( 20 ).

Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Gehäuseteiles (20). Dargestellt ist eine Gehäuseausbildung (23) in der Form einer Hülse für die Aufnahme der Druckkontaktfeder (22) und eine Hülse (28) zur späteren Befestigung, die Hülsen (23) sind am unteren Ende verjüngt, um eine paßgenaue Montage ausführen zu können. Die Erhebungen (21) im Gehäuseunterrand (26) und deren geometrische Ausdehnung sowie eine Justiernoppe (25) sind skizziert. Die Gehäuseoberfläche (29) muß eben und statisch stabil zur Aufnahme der Druckkräfte der Leiterplatte nach der Druckbeaufschlagung durch die Befestigungselemente über das Druckstück gestaltet sein. Fig. 5 shows the cross section of a housing part ( 20 ). Shown is a housing design ( 23 ) in the form of a sleeve for receiving the pressure contact spring ( 22 ) and a sleeve ( 28 ) for later attachment, the sleeves ( 23 ) are tapered at the lower end in order to be able to carry out a precise fit. The elevations ( 21 ) in the lower housing edge ( 26 ) and their geometrical dimensions, as well as an adjustment knob ( 25 ) are outlined. The housing surface ( 29 ) must be flat and statically stable to absorb the pressure forces of the circuit board after the pressurization by the fastening elements via the pressure piece.

Fig. 6 erläutert den Querschnitt eines erfinderisches Moduls. Das Modulplättchen (1) bestehend aus der Isolierkeramik (2) mit den bestückten Bauelementen (10, 12, 14) befindet sich in gebondetem (18) Zustand. Paßgenau überlappt das Gehäuse (20) mit seinen Rändern (26) die Ränder des Modulplättchens und sitzt mit seinen Erhebungen im Gehäuserand (21) auf dem nicht metallisierten Rand (6) der Isolierkeramik (2) auf. Die Druckkontaktfedern (22) und Ringfedern (24) liegen druckfrei auf den entsprechenden Kontaktstellen der Metallkaschierung (8) der Isolierkeramik (2). In dem Hohlraum des Gehäuses können weitere elektrisch nahe an den Modulplättchen zu positionierende Bauelemente oder Spulen (19) befestigt werden, die ihrerseits untereinander und mit anderen Kontakten, über beispielhaft flexible Leiterplatten (17), elektrisch verbunden sind. Thermisch stabile elektrische Bauelemente können so direkt in das Modul eingebaut werden, um z. B. parasitäre Effekte zu mimieren. Fig. 6 explains the cross section of an inventive module. The module plate ( 1 ) consisting of the insulating ceramic ( 2 ) with the assembled components ( 10 , 12 , 14 ) is in the bonded ( 18 ) state. The housing ( 20 ) with its edges ( 26 ) overlaps the edges of the module plate with a precise fit and sits with its elevations in the housing edge ( 21 ) on the non-metallized edge ( 6 ) of the insulating ceramic ( 2 ). The pressure contact springs ( 22 ) and ring springs ( 24 ) lie without pressure on the corresponding contact points of the metal liner ( 8 ) of the insulating ceramic ( 2 ). Further components or coils ( 19 ) to be positioned electrically close to the module plates can be fastened in the cavity of the housing, which in turn are electrically connected to one another and to other contacts, for example by flexible printed circuit boards ( 17 ). Thermally stable electrical components can thus be installed directly in the module, e.g. B. to minimize parasitic effects.

Die erfinderischen Module arbeiten nach dem Druckkontaktprinzip, die Kühlkörper sind nicht Bestandteil der erfinderischen Lösung. Sie können später beim Einbau des Moduls zum
Komplettieren hinzugefügt werden. Aus der dargestellten Aufbauweise ergeben sich einige Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.The inventive modules work on the pressure contact principle, the heat sinks are not part of the inventive solution. You can later when installing the module
Completion can be added. The construction shown shows some advantages over the prior art.

  • 1. Alle kostenmäßig belastenden Kontakte sind lösbar, Auswechselungen einzelner Bauteile können zerstörungsfrei für alle übrigen vorgenommen werden.1. All costly contacts can be solved, replacing individual components can be made non-destructive to all others.
  • 2. Die Federelemente übernehmen neben der direkten elektrischen Kontaktierung außerdem die zusammen mit den Gehäuseausbildungen die Funktion eines Druckelementes zum Andrücken des Modulplättchens auf die Kühlfläche. 2. In addition to direct electrical contacting, the spring elements also take over together with the housing designs, the function of a pressure element for pressing of the module plate on the cooling surface.  
  • 3. Die elektrische Isolation der Bauteile untereinander und die Hermetisierung gegenüber der Umgebung ist durch einen technologisch einfach zu beherrschenden Prozeß realisierbar.3. The electrical insulation of the components from each other and the hermeticization against the The environment can be realized using a process that is technologically easy to master.
  • 4. Die Positionierung aller Bauteile ist ohne störende Hilfsformen in einfacher Weise zuverlässig und präzise möglich.4. The positioning of all components is easy without annoying auxiliary forms reliable and precise possible.
  • 5. Durch die Erhebungen (21) in den Gehäuserändern sind gleichmäßige Druckverhältnisse zwischen Bauteil und Kühlkörper realisierbar und die Gehäusetoleranzen werden abgefangen.5. The elevations ( 21 ) in the housing edges make it possible to achieve uniform pressure ratios between the component and the heat sink, and the housing tolerances are absorbed.
  • 6. Für senkrecht zur Modulaufbauebene erforderliche Sekundärkontaktierung über eine gesteckte Leiterplatte sind über entsprechend geformte Druckkontaktfedern einfache Lösungsvarianten für solcherart hergestellter Module ohne Druckstück (30) realisierbar.6. For secondary contacting via a plugged-in printed circuit board perpendicular to the module assembly level, simple solution variants for modules produced in this way can be implemented without a pressure piece ( 30 ) by means of appropriately shaped pressure contact springs.
  • 7. Eine Gehäusekonstruktion mit Rasterausbildung der Hülsen (23) für die Druckkontakte ermöglicht individuelle Bestückungsvarianten bei einheitlichem Gehäuse.7. A housing construction with a grid design of the sleeves ( 23 ) for the pressure contacts enables individual assembly variants with a uniform housing.
  • 8. In das Gehäuse sind weitere Elektrische Bauteile und Funktionsgruppen einbaufähig und über Leiterplatten untereinander und zu den übrigen Anschlüssen kontaktierbar.8. Further electrical components and functional groups can be installed in the housing Contactable with each other and to the other connections via printed circuit boards.
  • 9. Durch den Einsatz eines Federmaterials mit geringem Kriechverhalten und einer guten Wärmebeständigkeit, wie z. B. Kupfer-Beryllium-Verbindungen, Kupfer-Zinn-Legierungen oder anderer kaltformbarer elektrisch gut leitender Federmaterialien, sind hochwertige dauerelastische Verbindungen herstellbar.9. By using a spring material with low creep behavior and a good one Heat resistance, such as B. copper-beryllium compounds, copper-tin alloys or other cold-formable, electrically conductive spring materials are high-quality permanently elastic connections can be made.
  • 10. In die Druckstücke sind Ausnehmungen einarbeitbar, um weitere Bauelemente platzorientiert und kostengünstig kontaktierbar positionieren zu können.10. Recesses can be incorporated into the pressure pieces in order to add further components to be able to position in a space-oriented and cost-effective manner.
  • 11. Mit lediglich einem Befestigungselement, insbesondere bei kleinen Modulgrößen wird die funktionelle Sicherheit des Moduls erreicht und es werden alle elektrischen und Wärmekontakt-Verbindungen hergestellt.11. With just one fastener, especially with small module sizes Functional safety of the module is achieved and all electrical and Thermal contact connections made.
  • 12. Der Wärmeübergang vom Modul zum Kühlkörper ist sehr günstig, da keine zusätzlichen Wärmeübergangsstellen vorhanden sind.12. The heat transfer from the module to the heat sink is very cheap because there are no additional ones Heat transfer points are present.

Claims (5)

1. Leistungsmodul mit Halbleiterbauelementen mit mindestens einem Modulplättchen (1), auf dem mindestens ein chipförmiges Leistungshalbleiterbauelement (10) und Kontaktflächen (8) vorhanden sind, wobei jedes Bauelement mit zugehörigen Kontaktflächen mittels Verbindungselementen elektrisch leitend verbunden ist und mit einem Gehäuse (20), das für einen Druckkontakt ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, daß das Modulplättchen (1) an seinen aufbauseitigen Kontaktflächen (8) über Druckfedern (22, 24), die in einem Gehäuse (20) schaltungsgerecht positioniert sind, mit den Kontaktflächen von Leiterplatten durch Befestigungselemente (40) beim Befestigen auf Kühlflächen elektrisch verbunden und mechanisch unter Druck gesetzt wird, während das Gehäuse (20) im Verbund mit einem Druckstück (30) durch deren Formgebungen für einen parallelen Aufbau und eine gute Druckverteilung an allen Kontaktstellen sorgen. 1. power module with semiconductor components with at least one module plate ( 1 ) on which at least one chip-shaped power semiconductor component ( 10 ) and contact surfaces ( 8 ) are present, each component being electrically conductively connected to associated contact surfaces by means of connecting elements and to a housing ( 20 ), which is designed for a pressure contact, characterized in that the module plate ( 1 ) on its assembly-side contact surfaces ( 8 ) via pressure springs ( 22 , 24 ), which are positioned in a housing ( 20 ) in accordance with the circuit, with the contact surfaces of printed circuit boards by means of fastening elements ( 40 ) is electrically connected and mechanically pressurized when attached to cooling surfaces, while the housing ( 20 ) in combination with a pressure piece ( 30 ) ensures a parallel structure and a good pressure distribution at all contact points due to their shape. 2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulplättchen auf seiner Bestückungsseite aus einem strukturierten leitenden Material (8) besteht, wobei die Struktur für das Befestigen von Leistungshalbleitern wie Transistoren (10) und Dioden (12, 14), Widerständen und Sensoren (16) sowie deren schaltungsgerechte Verbindungen (18) untereinander und für die Positionierung der Kontaktfedern (22, 24) geeignet ist.2. Power module according to claim 1, characterized in that the module plate on its component side consists of a structured conductive material ( 8 ), the structure for fastening power semiconductors such as transistors ( 10 ) and diodes ( 12 , 14 ), resistors and sensors ( 16 ) and their circuit-compatible connections ( 18 ) to one another and for the positioning of the contact springs ( 22 , 24 ) is suitable. 3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) aus einem thermoplastischen Stoff mit guter Temperaturbeständigkeit gebildet wurde, das über eine Vielzahl von Durchführungen (23, 27, 28) für das Befüllen mit einer Vergußmasse, für die Aufnahme von Druckkontaktfedern (22, 24) und mindestens ein Befestigungselement (40) verfügt, und eine druckbelastbare Oberfläche (29) besitzt.3. Power module according to claim 1, characterized in that the housing ( 20 ) was formed from a thermoplastic material with good temperature resistance, which via a plurality of bushings ( 23 , 27 , 28 ) for filling with a potting compound, for receiving Has pressure contact springs ( 22 , 24 ) and at least one fastening element ( 40 ), and has a pressure-resistant surface ( 29 ). 4. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (30) aus einer mechanisch stabilen und elektrisch isolierenden Masse gebildet wurde, die paßgenau zur Oberfläche (29) des Gehäuses (20) gestaltet ist und Ausbildungen in der Form von Hülsen (38) zur elektrisch hochspannungsfest isolierten Durchführungen für Befestigungselemente (40) aufweist.4. Power module according to claim 1, characterized in that the pressure piece ( 30 ) was formed from a mechanically stable and electrically insulating mass which is designed to fit the surface ( 29 ) of the housing ( 20 ) and training in the form of sleeves ( 38 ) for electrically high-voltage insulated bushings for fastening elements ( 40 ). 5. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile des Moduls, das Modulplättchen (1), das Gehäuse (20), die Druckkontaktfedern (22, 24), die Leiterplatte, der Kühlkörper und das Druckstück zerstörungsfrei demontierbar und damit auswechselbar sind.5. Power module according to claim 1, characterized in that all components of the module, the module plate ( 1 ), the housing ( 20 ), the pressure contact springs ( 22 , 24 ), the circuit board, the heat sink and the pressure piece are non-destructively removable and thus interchangeable .
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