DE19854180A1 - Modulgehäuse für Halbleiterbauteile - Google Patents

Modulgehäuse für Halbleiterbauteile

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Modulgehäuse für Halbleiter­ bauteile der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und insbesondere auf eine neuartige Modulstruktur, die ein IMS (isoliertes Metallsubstrat), ein oder mehrere gedruckte Leiterplatten, Verbindungselemente und andere Bauteile in einer neuartigen Gehäusestruktur verwendet.
Bekannte Halbleiterbauteil-Modulgehäuse werden zur Aufnahme einer Vielzahl von miteinander verbundenen Halbleiterplättchen verwendet. Die Plättchen können von gleicher oder unterschied­ licher Art sein, und sie können auf einem Kühlkörper oder einem anderen Substrat in einem gemeinsamen Gehäuse befestigt sein, das Anschlußelektroden aufweist, die sich von dem Gehäuse aus erstrecken.
In einer Leistungsanwendung, wie z. B. für eine Motorsteuer­ schaltung oder ähnliche Funktionen, werden sowohl Hochleistungs­ bauteile, von denen Wärme abgeführt werden muß, als auch Klein­ leistungsbauteile verwendet, die keine Wärmeableitung erfordern. Typischerweise wird die Wärmeableitung oder Kühlung dadurch erreicht, daß die Bauteile auf einem IMS, d. h. einem isolierten Metallsubstrat, befestigt werden, das in einem Modulgehäuse eingeschlossen ist. Derartige Substrate und Moduleinheiten sind in dem US-Patent 5 408 128 beschrieben. Wenn jedoch sowohl Hochleistungs- als auch Kleinleistungsbauteile für eine An­ wendung erforderlich sind, vergrößert die Einfügung von Klein­ leistungsbauteilen auf einem IMS sehr stark die Kosten der Moduleinheit. Alternativ werden die Hochleistungsbauteile in dem IMS-Modulgehäuse angeordnet, während die Kleinleistungs­ bauteile extern in anderen Moduleinheiten befestigt werden, wodurch sehr stark der Raumbedarf der Schaltung vergrößert wird und zusätzliche Zwischenverbindungen zwischen den Hoch­ leistungs- und Kleinleistungs-Bauteilen erforderlich werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modulgehäuse der eingangs genannten Art zu schaffen, das sowohl Hochleistungs- als auch Kleinleistungs-Bauteile aufnimmt, wobei die Packungs­ größe verringert, die Anzahl und Länge der Zwischenverbindungen zu einem Minimum gemacht und eine Wärmeabführung lediglich für die Hochleistungsbauteile vorgesehen ist.
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 ein "anpaßbares planares Modulgehäuse" (APM), nämlich ein neuartiges Gehäusekonzept für die Motorsteuerung und ähnliche Funktionen. Das Gehäuse ist insbesondere für preisgünstige und kleine Motorsteuer­ systeme geeignet, obwohl das grundlegende Konzept auf größere Hochleistungssysteme erweiterbar ist.
Das APM der vorliegenden Erfindung schließt ein eine minimale Größe aufweisendes IMS-Substrat ein, das für die Leistungsbau­ teile und andere Bauteile geeignet ist. Das IMS-Substrat kann eine Eingangsbrücke, einen Inverter und andere Bauteile haltern und liegt unterhalb eines offenen Hohlraumes einer gedruckten Leiterplatte ("PCB"). Die Leiterplatte und das IMS-Substrat sind in einer Formschale vergossen, die mit Verbindungselementen ver­ sehen ist. Die Leiterplatte bildet eine geringe Kosten erfor­ dernde Plattform für die Kleinleistungsbauteile, die keine Kühlung erfordern und daher nicht auf dem IMS-Substrat ange­ ordnet sein müssen. Das IMS und die Leiterplatte werden über übliche Drahtverbindungen miteinander verbunden, die das Halbleiterplättchen auf dem IMS-Substrat mit denen auf der Leiterplatte verbinden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Modulgehäuses werden daher redundante Zwischenverbindungen vermieden, Kosten­ einsparungen erzielt und die Zuverlässigkeit verbessert. Spe­ ziell ergibt die Aufteilung der Bauteile und die Verringerung der Größe des IMS eine Verringerung der Kosten. Die Verringe­ rung der Größe und die direkte Verbindung mit dem Halbleiter­ plättchen verringert weiterhin die IMS-Einheitskosten, weil die Notwendigkeit einer speziellen Galvanisierung entfällt, wodurch ein dünneres IMS ermöglicht wird.
Das anpaßbare Modulgehäuse (APM) der vorliegenden Erfindung schließt typischerweise ein IMS, eine gedruckte Leiterplatte, ein Träger-Basisteil oder eine Schale, Leistungsanschlüsse und Erdanschlüsse ein. Umgebungsbedingungen können ebenfalls berücksichtigt werden. Eine externe Steuer-Leiterplatte mit einer Tastatur und Eingangs-/Ausgangsanschlüssen, ein Deckel und ein Kühlkörper können ebenfalls eingefügt werden.
Das IMS-Substrat der Modulgehäuseeinheit kann einen Inverter, einen oder drei Phaseneingänge, einen Thermistor, einen Neben­ schluß für die negative Sammelschiene und einen Erdfehler- Nebenschluß einschließen. Es können Epoxy- oder Lot-Halbleiter­ plättchenbefestigungen verwendet werden. Das Substrat kann für 0,18 kW-, 0,37 kW- oder 0,75 kW-Anwendungen oder alle diese Anwendungen geeignet sein. Die Größe des Substrates beträgt beispielsweise etwa 3 × 2 cm. Weiterhin kann die Norm für einen Verschmutzungsgrad von 1 mit einem Überzug erreicht werden, und zwar ebenso wie eine Isolation für 2500 Volt.
Die Schale oder das Träger-Basisteil der Modulgehäuseeinheit kann eine Formschale einschließen, die das IMS, die Leistungs- Leiterplatte und den Deckel haltert. Das Träger-Basisteil weist beispielsweise eine Grundfläche von ungefähr 7,2 × 13 mm mit sich hiervon erstreckenden Anschlüssen auf. Drei oder vier Befestigungsschrauben beispielsweise M4-Schrauben können für die Erd-, Frontplatten-Innen- und Kühlkörper-Erdung vorge­ sehen sein. Das Gehäuse weist vorzugsweise ein niedriges Profil von beispielsweise etwa 0,95 cm auf, und es kann aus einem Kunststoffmaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Festigkeit hergestellt sein.
Die Leistungs-Leiterplatte der Modulgehäuseeinheit kann typischerweise eine einzige gedruckte Leiterplatte sein, die eine Treiberschaltung, Schutzschaltungen, SMPS-Schaltungen, Filter, Versorgungsleitungs-Kondensatoren, eine weiche Auf­ ladung bewirkende Anschlüsse und einen Steuer-Leiterplatten- Schnittstellenverbinder einschließen kann. Die Leiterplatte weist allgemein beispielsweise Abmessungen von ungefähr 13 × 6,5 cm auf. Vorzugsweise ist die Leiterplatte eine zwei­ schichtige Leiterplatte, obwohl auch vier Schichten möglich sind. Die Oberseite der Leiterplatte kann SMD-Bauteile und eine durchgehende Öffnung einschließen. Die Unterseite der Leiterplatte kann ein SMD-Bauteil von vorzugsweise bis zu 3,3 cm aufweisen. Die Leiterplatte kann weiterhin einen Ab­ stand für einen Verschmutzungsgrad 1 aufweisen, wobei beide Seiten beschichtet oder vergossen sind.
Die Leistungsanschlüsse sind typischerweise vom LMI- oder Schneider-Typ. Als Beispiel werden drei Motor-Ausgangsan­ schlüsse sowie zwei oder drei Eingangsleitungen verwendet. Die Leiterplatte kann am Eingangsende mit Erde verbunden sein, und sie erfüllt vorzugsweise die UL-508C-Norm bei 600 V. Die Leistungsanschlüsse können mit der Leistungs-Leiterplatte verlötet sein.
Vorzugsweise erfüllt die Modulgehäuseeinheit die Forderungen des Umgebungsschutzgrades 2, obwohl auch der Grad 3 erfüllt sein kann, wenn ausgewählte Steueranschlüsse verwaltet werden. Die Modulgehäuseeinheit kann weiterhin gegenüber Schwingungen, Stößen und anderen mechanischen Beanspruchungen geschützt sein.
Die primäre Erdung der Modulgehäuseeinheit ist vorzugsweise der Kühlkörper. Eine Motorabschirmung kann an dem Kühlkörper fest­ geklemmt sein, um eine die EMC-Vorschriften erfüllende Erdung und eine Motorerdung an dem Kühlkörper zu erreichen. Eine ein­ gangsseitige Befestigungsschraube kann die Leitungserde, die Befestigungsplatte und die Befestigungsplattenerde mit dem Kühlkörper und mit der internen Erde verbinden. Eine Brücke von dem Kühlkörper, die intern den EMC-Anschluß erdet, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Eine Steuer-Leiterplatte kann in der Modulgehäuseeinheit ent­ halten sein, oder sie kann extern vorgesehen sein und über einen Verbinder und eine Bandleitung in Schnittstellenverbindung mit der Modulgehäuseeinheit stehen. Die Steuer-Leiterplatte kann vorzugsweise einen Mikroprozessor, Störschutzelemente, eine Tastatur und einen "Wago"-Eingangs-/Ausgangs-Verbinder ein­ schließen. Die Steuer-Leiterplatte rastet typischerweise in den Deckel ein und ist über eine biegsame Leitung angeschlossen.
Ein Deckel kann mit dem Träger-Basisteil des Modulgehäuses in Eingriff stehen und ist vorzugsweise ein geformter Deckel mit einer produktabhängigen Höhe. Der Deckel kann eine mechanische und elektrische Verbindung mit den Bauteilen ergeben und eine Einrastkupplung mit dem Träger-Basisteil ergeben, und er kann den Durchgang von Befestigungsschrauben durch das Träger-Basis­ teil zum Kühlkörper hin ermöglichen. Der Deckel kann weiterhin eine Halterung für die Steuer-Leiterplatte ergeben und Lüftungs­ öffnungen zur Kondensatorkühlung aufweisen. Wahlweise erfüllt der Deckel die Vorschriften der Norm UL50.
Ein externer Kühlkörper dient als Befestigungsfläche für das Modulgehäuse. Es sind drei Größen für den Kühlkörper vorzu­ ziehen, die alle vorzugsweise die gleiche Grundfläche haben, nämlich ein stranggepreßter Aluminium-Kühlkörper für Anwen­ dungen mit 0,37 kW, ein stranggepreßter Kühlkörper für Anwen­ dungen mit 0,75 kW oder eine Aluminiumplatte für Anwendungen mit 0,18 kW. Der Kühlkörper ist vorzugsweise so bemessen, daß er die erforderliche Verlustleistung ohne die Verwendung eines Gebläses abführt. Typischerweise können drei oder vier Gewinde­ bohrungen vorgesehen sein, um den Kühlkörper mit dem Modulge­ häuse zu verbinden. Der Kühlkörper kann weiterhin an einer Rückwandplatte oder einer DIN-Schiene befestigbar sein.
Das Träger-Basisteil des erfindungsgemäßen Modulgehäuses kann einige oder alle der folgenden Merkmale aufweisen: Festlegung der Lage und Halterung des IMS-Substrates, optimaler Kontakt mit der Kühlkörper-Befestigungsoberfläche, Halterung der ge­ druckten Leiterplatte unter Einschluß einer Drahtverbindungs­ 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 vorzugsweise mit einer eine hohe Qualität aufweisenden Vergußmasse gefüllt, die mit dem IMS-Halbleiterplättchen in Berührung steht. Der übrige Teil des Gehäuses unter Einschluß der Leiterplatte und anderer Bauteile kann somit mit einer Vergußmasse geringerer Qualität gefüllt werden.
Das Träger-Basisteil kann weiterhin ein externes Anschlußgehäuse bilden, wenn ein derartiges Gehäuse kosteneffektiver ist als die Verwendung von im Handel erhältlichen Anschlüssen. Alter­ nativ kann das Träger-Basisteil einen unterteilten Bereich bilden, so daß im Handel erhältliche Anschlüsse an der Leiter­ platte befestigt werden können.
Andere größere Bauteile, wie z. B. Versorgungsleitungs-Konden­ satoren, Filterkondensatoren und Induktivitäten, können spezielle Befestigungen und Zwischenverbindungen erfordern. Diese Bauteile können an der Leiterplatte befestigt werden und dürfen aus der Vergußmasse vorspringen, oder sie können auf der Oberseite einer zusätzlichen Leiterplatte angeordnet werden. Die zusätzliche Leiterplatte kann eine koplanare Ver­ längerung der ersten Leiterplatte sein, oder sie kann in einer zweiten Ebene angeordnet sein, in Abhängigkeit von der Größe, Anzahl und Kosten der Bauteilbefestigung, und sie kann sich von einem Produkt zum anderen unterscheiden. Es kann bei manchen Gehäusen vorteilhaft sein, die größeren Bauteile, wie z. B. die Versorgungsleitungskondensatoren, an der Unter­ seite des Gehäuses zu befestigen und eine geeignete Abdeckung vorzusehen.
Die obere Oberfläche des Gehäuses kann weiterhin eine Steuer­ tastaturplatte aufnehmen, die zu der Leiterplatte führt.
Andere Anwendungen, wie z. B. für Geräte, erfordern ggf. keine Steckverbinder und können geringere Kosten aufweisende Steck­ verbindungen beinhalten. Anwendungen, wie z. B. Industrie- Steuergeräte, können zusätzliche Funktionen sowie eine höhere Leistung und mechanische Strukturen zusätzlich erfordern.
Die Anpaßbarkeit der anpaßbaren Modulgehäuseeinheit ermöglicht eine Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion von Produkten, indem die Auslegung entweder der Leiterplatte oder des IMS- Substrates geändert wird, ohne daß irgendwelche wesentlichen Änderungen der Fertigungswerkzeuge erforderlich sind. Andere Änderungen können weiterhin dadurch durchgeführt werden, daß die Form für das Modulgehäuse mit einem auswechselbaren Ein­ satz für den Hohlraum für das IMS-Substrat versehen wird, oder daß mehrfache obere Formhohlräume zur Berücksichtigung höherer Wände für doppelte Leiterplatten, spezielle Steckverbindungen, eine wahlweise Tastatur und dergleichen vorgesehen werden.
Somit ergibt das Modulgehäuse eine kostengünstige Gehäusean­ ordnung, die eine vollständigere Systemintegration in einer einzigen Moduleinheit ermöglicht. Spezielle Systemfunktionen können einen Inverter, eine Eingangsbrücke, eine Strommessung, eine Kurzschluß- und Übertemperatur-Schutzeinrichtung, Treiber­ schaltungen, Eingangs-/Ausgangs-Filter, PFC, eine Bremse, einen Steuermikroprozessor und eine Tastatur einschließen.
Gemäß der Erfindung schließt das Modulgehäuse für Halbleiter­ bauteile ein Träger-Basisteil ein, das eine Öffnung aufweist, die sich von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche des Träger-Basisteils erstreckt. Ein ebenes thermisch-leitendes Substrat erstreckt sich über die Öffnung in dem Träger-Basis­ teil und weist eine untere Oberfläche auf, die in oder unter der Höhenlage der unteren Oberfläche des Träger-Basisteils liegt, so daß es mit einem äußeren Kühlkörper im Berührung kommen kann. Ein oder mehrere Halbleiterbauteile sind auf einer oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigt.
Zumindest eine Leiterplatte ist oberhalb der oberen Oberfläche des Träger-Basisteils und in Abstand von dieser angeordnet, und diese Leiterplatte weist eine Öffnung auf, die über dem ther­ misch leitenden Substrat liegt, wobei ein oder mehrere andere Halbleiterbauteile auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte befestigt sind. Zumindest ein Anschlußfleck-Bereich ist am Um­ fang der Öffnung in der Leiterplatte angeordnet und elektrisch mit den Halbleiterbauteilen auf der Leiterplatte verbunden. Ein oder mehrere Verbindungsdrähte verbinden die Halbleiterbauteile auf dem thermisch leitenden Substrat mit den Anschlußflecken.
Weitere Merkmale der Erfindung schließen eine Motor-Ansteuer­ moduleinheit und eine Mikrowandler-Moduleinheit ein.
Mehrere miteinander verbundene Halbleiterbauteile können auf einem thermisch leitenden Substrat befestigt sein. Das ther­ misch leitende Substrat kann ein IMS (isoliertes Metallsubstrat) sein. Ein Leistungshalbleiterplättchen oder eine Inverterschal­ tung kann auf dem thermisch leitenden Substrat befestigt sein.
Das Träger-Basisteil kann erhöhte Teile einschließen, die sich oberhalb der oberen Oberfläche des Träger-Basisteils erstrecken und die die Öffnung in der Leiterplatte umgeben, um einen Hohl­ raum oberhalb des thermisch leitenden Substrates zu bilden. Der Hohlraum kann mit einem Vergußmaterial hoher Qualität ge­ füllt werden, und zumindest ein Teil des Bereiches oberhalb der oberen Leiterplatte kann mit einem eine geringere Qualität aufweisenden Vergußmaterial gefüllt werden. Weitere erhöhte Teile in dem Träger-Basisteil können die Leiterplatte haltern.
Einstückige Anschlüsse, die oberhalb der Leiterplatte befestigt sind, oder im Handel erhältliche Anschlüsse, die in einem er­ höhten Teil des Träger-Basisteils ausgebildet sind, können elektrische Verbindungen schaffen und sie sind elektrisch mit den Bauteilen der Leiterplatte verbunden. Eine weitere Leiter­ platte kann oberhalb der Leiterplatte und mit Abstand von dieser angeordnet werden, oder sie kann koplanar mit der Leiterplatte befestigt werden, und diese weitere Leiterplatte weist weitere auf ihrer Oberfläche befestigte Bauteile auf. Eine Tastatur kann oberhalb einer der Leiterplatte befestigt werden, und zusätzliche Bauteile können auf der unteren Ober­ fläche befestigt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1A, 1B, 1C und 1D eine Draufsicht, eine Seiten­ ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine Rückansicht einer Modul­ gehäuse-Einheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Moduleinheit nach den Fig. 1A bis 1D, wobei das IMS freigelegt ist,
Fig. 3 das IMS-Substrat und dessen Verbindungen mit der Leiterplatte nach Fig. 2 in ausführlicherer Darstellung,
Fig. 4A eine Querschnittsansicht der Leiterplatte nach Fig. 1A entlang der Linien 4-4,
Fig. 4B eine Draufsicht auf die Leiterplatte,
Fig. 5A und 5B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer anpaßbaren planaren Modulgehäuseeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6A und 6B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7A und 7B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8A und 8B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer Mikro-Inverter-Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9A und 9B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10A und 10B eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 11 eine Draufsicht einer anpaßbaren planaren Moduleinheit gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 12 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungs­ form eines IMS gemäß der Erfindung,
Fig. 13A und 13B eine Draufsicht bzw. eine Seiten­ ansicht eines Beispiels einer Steuermoduleinheit für einen 1/2 PS-Motor, der das IMS nach Fig. 13 aufnehmen kann.
Zunächst wird auf Fig. 1 bezug genommen, die in den Fig. 1A bis 1D eine Ausführungsform einer Modulgehäuseeinheit 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese Modul­ gehäuseeinheit umfaßt ein Träger-Basisteil 102, das eine ge­ druckte Leiterplatte 110 trägt. Auf der gedruckten Leiterplatte 110 sind verschiedene elektrische Bauteile unter Einschluß einer Drossel 124, Widerständen 130, 131, 132, 133, 134, Kondensatoren 136, 138, eines Transformators 148, Induktivitäten 141 und 146 sowie verschiedene zusätzliche Schaltungselemente 140, 142 und 144 und andere Bauteile befestigt, die alle über (nicht ge­ zeigte) gedruckte Leiterbahnen auf der Leiterplatte 110 mit­ einander verbunden sind. Weiterhin sind Eingangs-/Ausgangs- Anschlußstiffe 127 und 129 und Anschlüsse 122A bis 122F vorge­ sehen, die externe Verbindungen an die Leiterplatte schaffen. Eine Stützwanne 131 ruht auf der Leiterplatte 110 und haltert Kondensatoren 126 und 128, die elektrisch mit der Leiterplatte 110 verbunden sind und durch ein Spannband 130 an ihrem Platz gehalten werden.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1A gezeigte Draufsicht der Modul­ gehäuseeinheit 100 bei entfernter Stützwanne und nach Ent­ fernen der Kondensatoren. Eine in der Leiterplatte 110 ausge­ bildete Öffnung 160 liegt oberhalb eines isolierten Metall­ substrates (IMS) 150. Anschlußflecken oder -kissen 164 sind um den Umfang der Öffnung 160 herum angeordnet und elektrisch mit den anderen auf der Leiterplatte befestigten Bauteilen verbunden. Verbindungsdrähte 156 ergeben elektrische Verbin­ dungen zwischen den Anschlußkissen 164 auf der Leiterplatte und den auf den IMS 150 befestigten Bauteilen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des IMS sowie eines Teils der Leiterplatte 110, der die Öffnung 160 umgibt, mit weiteren Einzelheiten. Auf der Oberseite des IMS 150 sind verschiedene Bauteile befestigt, unter Einschluß von MOS-gategesteuerten Leistungshalbleiterbauteilen Q1 bis Q6, Dioden D1 bis D10 so­ wie Widerständen RT und RS1. Alle diese Bauteile sind thermisch und elektrisch auf Teilen eines mit einem leitenden Muster ver­ sehenen Materials 154 befestigt, wie z. B. Kupfer. Weiterhin sind auf den oberen Oberflächen der Bauteile Anschlußkissen­ bereiche vorgesehen. Verbindungsdrähte 156 ergeben Verbindungen von den verschiedenen Bauteilen sowie von den Anschlußkissen 164 zu dem leitenden Muster und dem Anschlußkissenbereichen der IMS-Bauteile.
Fig. 4A zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur nach Fig. 2. Das IMS hat einen relativ dicken Körper 152, der aus leiten­ dem Metall, wie z. B. Aluminium, gebildet ist, und der durch eine sehr dünne Isolierschicht bedeckt ist, die ihrerseits das lei­ tende Muster trägt, das elektrisch von dem Körper isoliert ist. Weiterhin sind (nicht gezeigte) Wärmeverteilungseinrichtungen vorgesehen, an denen die Bauteile befestigt sind, um die ther­ mische Verteilung der von den Bauteilen während ihres Betriebs erzeugte Wärme zu verbessern. Ein Beispiel eines IMS ist in dem oben erwähnten US Patent 5 408 128 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit ausgenommen wird.
Wesentlich ist hierbei, daß das IMS in einer Öffnung des Träger- Basisteils 102 derart befestigt ist, daß es unterhalb der Leiterplatte 110 liegt, und derart, daß die untere Oberfläche des Körpers 152 koplanar zu der unteren Oberfläche 104 des Träger-Basisteils 102 oder unter dieser liegt und für eine thermische Berührung mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper zur Verfügung steht. Weiterhin sind vorzugsweise erhöhte Bereiche 106 und 108 vorgesehen, die sich von dem Träger- Basisteil 102 aus erstrecken und die Leiterplatte 110 an der Öffnung bzw. dem Umfang der Leiterplatte 110 haltern. Die erhöhten Abschnitte 106 und die Öffnung in der Leiterplatte bilden einen Hohlraum oberhalb des IMS, der mit einem eine hohe Qualität aufweisenden Vergußmaterial 158 aufgefüllt ist, um die obere Oberfläche des IMS abzudecken. Ein eine geringere Qualität aufweisendes und weniger kostspieliges Vergußmaterial kann dann zwischen der unteren Oberfläche der Leiterplatte und dem Träger-Basisteil sowie dazu verwendet werden, zumindest einen Teil der Bauteile abzudecken, die auf der Oberseite der Leiterplatte befestigt sind.
Fig. 4B zeigt ein Beispiel einer Leiterplatte 210, die zur Befestigung von Bauteilen geeignet ist und eine Öffnung 260 aufweist, die über dem IMS angeordnet und gemäß der Erfindung verwendet werden kann.
In vorteilhafter Weise und gemäß der Erfindung verringert die Anordnung der Öffnung in der Leiterplatte oberhalb des IMS die Anzahl und die Länge der Verbindungsdrähte, die die auf dem IMS befestigten Bauteile und die auf der Leiterplatte befestigten Bauteile miteinander verbinden. Weiterhin werden durch die Befestigung lediglich der Hochleistungsbauteile auf dem IMS die Kosten der Moduleinheit sehr stark verringert. Weil weiter­ hin sowohl die Hochleistungs- als auch Kleinleistungsbauteile in der gleichen Moduleinheit befestigt sind, wird die Grund­ fläche stark verringert, und auch die Anzahl der Zwischenver­ bindungen wird stark verkleinert. Zusätzlich werden durch die Begrenzung der eine hohe Qualität aufweisenden Vergußmasse auf lediglich den Bereich oberhalb des IMS die Kosten der Moduleinheit verringert.
Es sei weiterhin bemerkt, daß ein Deckel, wie z. B. ein (nicht gezeigter) geformter Deckel über der Leiterplatte angeordnet werden kann, um die Bauteile der Leiterplatte und das IMS abzu­ decken, wobei dieser Deckel vorzugsweise durch den Umfang des Träger-Basisteils gehaltert ist.
Andere Modulgehäuse wurden für Motor-Steuergeräte im Bereich von 75 bis 750 Watt entwickelt.
Die Fig. 5A und 5B zeigen ein Beispiel eines Geräte-Modul­ gehäuses 500 ohne Eingangs-/Ausgangsfilter gemäß einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung. Ein durch eine Formschale gebildetes Träger-Basisteil 502 haltert eine gedruckte Leiter­ platte 511 und weist eine Öffnung auf, durch die das IMS 550 befestigt ist. Die untere Oberfläche des IMS 550 steht mit einem Kühlkörper 570 in Berührung, um Wärme von den auf der Oberseite des IMS befestigten Leistungsbauteilen abzuleiten, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Weiterhin liegt eine in der Leiterplatte ausgebildete Öffnung 560 oberhalb des IMS, um die Länge der Drahtverbindungen zu einem Minimum zu machen. Wie dies ebenfalls weiter oben beschrieben wurde, füllt ein eine hohe Qualität aufweisendes Vergußmaterial 558 einen Hohlraumbereich oberhalb des IMS, und ein Vergußmaterial 559 mit geringerer Qualität ist in übrigen Bereichen des Modul­ gehäuses vorhanden. Es sei weiterhin bemerkt, daß Bauteile 528 sowohl auf der oberen als auch der unteren Oberfläche des Modulgehäuses befestigt sind.
In diesem Fall sind die Anschlüsse 522 Schnellverbinder, wobei in einer Linie angeordnete Verbindungsstifte zur Lieferung von Steuersignalen vorgesehen sind. Weiterhin sind wahlweise Ein­ gangs-/Ausgangs-Anschlußstifte 524 gezeigt. Das Gehäuse, das typischerweise Abmessungen von 7,62 × 5,08 × 1,27 cm aufweist, kann eine vollständige Motorsteuerschaltung unter Einschluß einer Inverterschaltung, Eingangsschaltungen, Schutzschaltungen und eines Mikroprozessors aufnehmen. Der Inverter und die Ein­ gangsschaltungen 512 sind auf dem IMS 550 angeordnet, und die anderen Bauteile 528 sind auf der Leiterplatte 510 angeordnet. Die Länge von 7,62 cm ist eine maximale Sicherheitsgröße, ob­ wohl weiter durchentwickelte Produkte eine geringere Größe auf­ weisen können.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter- Modulgehäuses 600 mit vollständigen Eingangs-/Ausgangsfiltern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Aus­ führungsform ist ähnlich dem Geräte-Modulgehäuse 500, jedoch mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche gedruckte Leiterplatte 640 hinzugefügt ist, um die Induktivitäten und Kapazitäten der Eingangs-/Ausgangs-Filter zu haltern. Die zusätzliche Leiter­ platte 640 ist mit der Leiterplatte 610 über einen Zwischen­ verbindungs-Leiterrahmen 615 verbunden. Die Größe der zusätz­ lichen Leiterplatte und ihrer Bauteile ändert sich mit der Nennleistung der Modulgehäuseeinheit und liegt typischerweise im Bereich von 75 bis 750 Watt. Es gibt zwei verschiedene Anschlußkonfigurationen für das Mikro-Inverter-Modulgehäuse. In diesem Fall zeigen die Fig. 6A und 6B eine einfache Schale mit im Handel erhältlichen Anschlüssen 622. Alter­ nativ zeigen die Fig. 7A und 7B ein im wesentlichen glei­ ches Modulgehäuse 700 mit einer Schale 702 und integrierten Anschlüssen 722. Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl bei den im Handel erhältlichen Anschlüssen als auch bei den inte­ grierten Anschlüssen diese Anschlüsse mit der Haupt-Leiterplatte verlötet und in einem Hohlraum mit isolierender Vergußmasse angeordnet sind. Wahlweise Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 624 sind ebenfalls gezeigt.
Die Fig. 8A und 8B zeigen ein Beispiel eines Mikro-Inverter- Modulgehäuses 800 ohne Filter gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung. Das Gehäuse ist ähnlich dem nach den Fig. 6A, 6B und 7A, 7B, jedoch mit der Ausnahme, daß die Höhe des Träger-Basisteils durch den Fortfall der zusätzlichen Leiter­ platte verringert ist, die anderenfalls die Filterschaltung aufnimmt. Statt dessen ist ein Versorgungsleitungskondensator 826 unterhalb der unteren Oberfläche des Träger-Basisteils 802, jedoch in Abstand von dem Kühlkörper 870 angeordnet. Obwohl die Fig. 8A und 8B integrierte Anschlüsse 822 an der Schale zeigen, können genauso im Handel erhältliche An­ schlüsse verwendet werden.
Die Modulgehäuse nach den Fig. 6A, 6B, 7A, 7B und 8A, 8B können weiterhin modifiziert werden, um eine Tastatur 612, 712 bzw. 812 auf der oberen Oberfläche der Leiterplatte auf­ zunehmen. Diese Gehäuse können weiterhin einen Deckel auf­ weisen, der eine elektromagnetische Abschirmung ergeben kann. Die Filterung und das Gehäuse der vorliegenden Erfindung sind so ausgelegt, daß die Filtergröße zu einem Minimum gemacht wird und daß sich eine derartige Architektur ergibt, daß gemeinsame Werkzeuge und Herstellungsverfahren so weit wie möglich für mehr als eine Ausführungsform des Modulgehäuses verwendet werden können.
Die Fig. 9A und 9B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Quer­ schnittsansicht einer Ausführungsform eines vollständigen Motoransteuer-Modulgehäuses 900 mit integrierten Anschlüssen 922 gemäß der Erfindung. Hier ist ein geformter Deckel 904 gezeigt, der einen Eingangs-/Ausgangs-Steckverbinder 921, eine Leuchtdiode 913 und Belüftungsschlitze 917 aufweist.
Die Fig. 10A, 10B zeigen ein weiteres Beispiel einer Drauf­ sicht bzw. einer Querschnittsansicht einer vollständigen Motor­ ansteuer-Modulgehäuseeinheit 901 mit daran angebrachten An­ schlüssen 982 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin­ dung. Die Anschlüsse 982 ersetzen die integrierten Anschlüsse 922 nach den Fig. 9A und 9B.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer vollständigen Motoransteuer-Modulgehäuseeinheit 1103 gemäß der Erfindung. Bei diesem Beispiel liegen integrierte Anschlüsse 1122A und 1122B auf gegenüberliegenden Enden des Gehäuses.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel eines isolierten Metall­ substrats (IMS) 1250 mit einer Vielzahl von Transistoren, IGBT- Bauteilen, Dioden und Widerständen, die miteinander verbunden und mit äußeren Anschlüssen versehen sind.
Die Fig. 13A und 13B zeigen eine Ausführungsform einer 375W- Motorsteuermodul- und Ansteuerschaltungs-Modulgehäuseeinheit 1200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Wie dies gezeigt ist, schließt die Moduleinheit eine Treiber-Leiter­ platte 1210 ein und nimmt ein IMS 1250 auf, wie es beispiels­ weise in Fig. 13B gezeigt ist, das mit der Treiber-Leiterplatte verbunden ist. Eine Steuer-Leiterplatte 1240 kann in dem Modul­ gehäuse oberhalb der Treiber-Leiterplatte angeordnet sein, und eine weitere wahlweise Tastatur 1244 kann eingefügt sein und oberhalb der Steuer-Leiterplatte angeordnet sein. Alternativ kann das Modulgehäuse verlängert werden, so daß die Steuer­ schaltung auf einer verlängerten Treiber-Leiterplatte 1210A eingefügt werden kann. In diesem Fall kann eine Tastaturver­ längerung 1244A ebenfalls in dem Modulgehäuse oberhalb der verlängerten Leiterplatte angeordnet sein.
In vorteilhafter Weise ermöglichen die neuartigen Merkmale der vorstehenden Ausführungsformen der Modulgehäuse gemäß der Erfindung eine Herstellung dieser Produkte bei niedrigeren Kosten. Die hauptsächlichen Kostenverringerungsmerkmale schließen folgendes ein: 1) minimale IMS-Substratfläche, 2) ein dünneres IMS-Substrat, 3) keine Drahtverbindungen auf der IMS-Metallisierung, 4) alle Leiterbahnen auf einer doppel­ seitigen Leiterplatte, 5) alle Substrat-/IMS-Verbindungen sind Drahtverbindungen, die gewöhnlicherweise auch sonst erforder­ lich sind, 6) eine, integrierte Treiber- und Mikroprozessor- Leiterplatte, 7) eine integrierte Schalen-/Anschlußform-Option, 8) ein einziges Gehäuse für alle Funktionen mit Vergußmasse zur Verringerung der Größe und Hochspannungs-Kriechpfadbeschrän­ kungen, und 9) gemeinsame Werkzeuge für europäische und US Produkte sowohl für Mikro-Inverter- als auch Geräte-Produkte.

Claims (10)

1. Modulgehäuse für Halbleiterbauteile, mit:
einem Träger-Basisteil mit oberen und unteren Ober­ flächen und einer darin ausgebildeten Öffnung, die sich von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche erstreckt,
einem ebenen thermisch leitenden Substrat, das in der Öffnung des Träger-Basisteils derart angeordnet ist, daß eine untere Oberfläche des Substrates mit einem externen Kühl­ körper in Eingriff bringbar ist, der unterhalb der unteren Oberfläche des Träger-Basisteils angeordnet wird,
zumindest einem Halbleiterbauteil, das auf einer oberen Oberfläche des thermisch leitenden Substrates befestigt ist,
zumindest einer Leiterplatte, die oberhalb der oberen Oberfläche des Träger-Basisteils und in Abstand von dieser angeordnet ist und eine darin ausgebildete Öffnung aufweist, die oberhalb des thermisch leitenden Substrates liegt,
zumindest einem weiteren Bauteil, das auf einer oberen Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist,
wobei die obere Oberfläche der Leiterplatte zumindest einen Anschlußkissenbereich aufweist, der am Umfang der Öffnung in der Leiterplatte angeordnet ist und elektrisch mit dem zumin­ dest einem anderen Bauteil verbunden ist, und
zumindest einem Verbindungsdraht zum Verbinden des zumindest einen Halbleiterbauteils mit dem Anschlußkissen.
2. Modulgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Halbleiterbau­ teilen auf dem thermisch leitenden Substrat befestigt ist, und daß zumindest eines der Vielzahl von Halbleiterbauteilen mit einem anderen der Vielzahl von Halbleiterbauteilen verbunden ist.
3. Modulgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Substrat durch ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) gebildet ist.
4. Modulgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Träger-Basisteil erhöhte Ab­ schnitte aufweist, die sich über die obere Oberfläche des Träger-Basisteils hinaus erstrecken und die Öffnung in der Leiterplatte umgeben, wodurch ein Hohlraum oberhalb des thermisch leitenden Substrates gebildet wird, daß der Hohl­ raum mit einer Vergußmasse hoher Qualität gefüllt ist, und daß zumindest ein Teil des Bereiches oberhalb der Leiterplatte mit einem Vergußmaterial geringerer Qualität gefüllt ist.
5. Moduleinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Träger-Basisteil weitere erhöhte Abschnitte aufweist, die die Leiterplatte haltern.
6. Modulgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen einstückig ausgebildeten Anschluß, der oberhalb der Leiterplatte befestigt ist, oder zumindest einen getrennten Anschluß, der in einem erhöhten Abschnitt des Träger-Basisteils gebildet ist, um einen externen elektrischen Anschluß zu schaffen, wobei der Anschluß elektrisch mit dem zumindest einen weiteren Bauteil verbunden ist.
7. Modulgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Leiterplatte ober­ halb der einen Leiterplatte und mit Abstand von dieser befestigt ist und zumindest ein weiteres Bauteil aufweist, das auf einer Oberfläche der weiteren Leiterplatte befestigt ist.
8. Modulgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tastatur oberhalb der einen Leiterplatte oder auf der Oberfläche der weiteren Leiterplatte befestigt ist.
9. Modulgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein zusätzliches Bauteil, das auf einer unteren Oberfläche der einen Leiterplatte oder auf einer anderen Oberfläche der weiteren Leiterplatte befestigt ist.
10. Modulgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen geformten Deckel, der über der Leiterplatte und dem thermisch leitenden Substrat liegt.
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