DE4111247C3 - Schaltungsanordnung - Google Patents
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- H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE 35 08 456 C2
bekannt. Dort ist die Trägerplatte, auf welcher mindestens ein
zu kühlendes chipförmiges Bauelement vorgesehen ist, in ein
Gehäuse eingeklebt und die Andrückvorrichtung mittels
Justierschrauben und Zwischenstücken gebildet. Die
Justierschrauben sind durch Verstrebungen des Gehäuses
durchgeschraubt. Bei einer solchen Ausbildung der
Schaltungsanordnung kann insbes. bei einer langzeitig gegebenen
Wärmebelastung der Schaltungsanordnung nicht zuverlässig
sichergestellt werden, daß der Anpreßdruck der
Andrückvorrichtung konstant aufrechterhalten wird, weil es zu
einem Nachgeben, z. B. Fließen, des Kunststoffmaterials des
Gehäuses kommen kann. Des gleichen kann es infolge mechanischer
Toleranzen der nicht nachgiebigen Zwischenstücke der
Andrückvorrichtung zu einem Kontakt-Druckverlust kommen.
Aus der DE 29 42 401 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit einer
Andrückvorrichtung bekannt, die mindestens ein wärme- und
formstabiles Montageelement in Form von Jochen und eine
Plattfeder als elastisch nachgiebige Drückeinrichtung aufweist,
die auf der dem Kühlbauteil in Gestalt eines wannenförmigen
Bodens zugewandten Innenseite des Montageelementes vorgesehen
ist, und die gegen das mindestens eine zu kühlende Bauelement
und/oder in dessen Nachbarschaft elektrisch isoliert gegen die
mindestens eine Trägerplatte drückt. Durch die Verwendung einer
Plattfeder als nachgiebige Drückeinrichtung kann der
Kontaktdruck eingestellt und konstant gehalten werden.
Die JP 1-3 10 566 A (Patents Abstracts of Japan, E-897, 1990,
Vol. 14, Nr. 112) offenbart eine Halbleitervorrichtung mit
einer zwischen einem Halbleiterchip und einer Kappe
vorgesehenen Feder als nachgiebiger Drückeinrichtung.
Ob aus der JP 63-2 26 952 A (Patents Abstracts of Japan, E-705,
1989, Vol. 13, Nr. 23) ist eine Halbleitervorrichtung mit einer
Feder als nachgiebige Drückvorrichtung bekannt, wobei die Feder
nicht unmittelbar auf einen Halbleiterchip sondern mittelbar
über eine den Halbleiterchip bedeckende Isoliermasse gegen den
Halbleiterchip drückt.
Die DE 36 28 556 C1 beschreibt eine Schaltungs- bzw.
Halbleiteranordnung, bei welcher mindestens ein zu kühlendes
chipförmiges Bauelement auf einer Trägerplatte angeordnet und
in eine Isolierstoffmasse eingekapselt ist. Stromleiterteile
des zu kühlenden chipförmigen Bauelementes sind wenigstens
stellenweise als Kontaktstücke zur Druckkontaktierung
ausgebildet. Die Stromleiterteile ragen auf der von der
Trägerplatte abgewandten Seite des Bauelementes aus der
Isolierstoffkapselung heraus. Diese Schaltungsanordnung ist mit
einem Kühlbauteil und mit einer Kontaktplatte ausgebildet. Die
Kontaktstücke sind vom Bauelement getrennt auf der Trägerplatte
angeordnet. Die Druckkontaktierung der Kontaktstücke ist
außerhalb der Isolierstoffkapselung vorgesehen und die
Kontaktplatte ist allen Kontaktstücken gemeinsam.
Ein Leistungshalbleitermodul, bestehend aus einer beidseitig
metallisierten Trägerplatte, die auf der Oberseite mit
Bauelementen bestückt, in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt und
mit Vergießmasse abgedeckt ist, ist aus der DE 35 21 572 A1
bekannt. Dort wird vorgeschlagen, daß im Modul mindestens eine
Stütze auf dem Trägerkörper oder einem Bauelement angeordnet
ist, als eine erste Weichvergußmasse ein elastomerer Verguß
vorgesehen ist, aus dem ein oberer Teil der Stütze bzw. Stützen
herausragt, und als eine zweite Hartvergießmasse ein
duroplastischer Verguß vorgesehen ist, der den oberen Teil der
mindestens einen Stütze überdeckt und mit dem Gehäuse
verbindet.
Aus der GB-A 2 167 228 ist eine Schaltungsanordnung mit einem
zweiteiligen Gehäuse bekannt, in welchem ein Wafer sowie
weitere Schaltungselemente vorgesehen sind. Das untere
Gehäuseteil kann mit Rippen ausgebildet sein, um die
Wärmeabfuhr zu verbessern. Der Wafer wird mittels eines
ringförmigen Dichtungsorgans gegen das Gehäuseunterteil
gedrückt. Zu diesem Zweck ist ein Dichtungsring zwischen dem
Wafer und dem Gehäuseoberteil eingeklemmt. Verbindungselemente
sind dort zwischen den beiden Gehäuseteilen eingeklemmt.
Nachdem die beiden Gehäuseteile selbst formstabil ausgebildet
sind, ergibt sich dort keine federnde Fixierung der
Verbindungselemente sondern nur ein starres Einklemmen
derselben. Die Klemmwirkung des ringförmigen Dichtungselementes
ist dort also durch die starren Verbindungselemente bestimmt
und begrenzt.
Die EP 0 340 959 A2 offenbart eine Schaltungsanordnung mit
einer Trägerplatte, auf der mindestens ein zu kühlendes
chipförmiges Bauelement und Kontaktflächen angeordnet sind. Dort
ist auch ein Kühlbauteil vorgesehen, das ein Gehäuseoberteil
bildet, das mit einem Gehäuseunterteil verbunden ist, auf dem
die Trägerplatte befestigt ist. Das mindestens eine chipförmige
Bauelement ist zwischen der Trägerplatte und dem oberseitigen
Kühlbauteil mittels Polsterelementen und mittels gegebenenfalls
ebenfalls vorgesehenen Polstern festgelegt. Bei dieser
bekannten Schaltungsanordnung läßt die Genauigkeit der
Chipkontaktierung noch Wünsche offen. Außerdem handelt es sich
dort nicht um eine wärme- und formstabile Drückeinrichtung, so
daß ein Erweichen und Deformierungen bei thermischer
Beanspruchung nicht auszuschließen sind. Auch sind dort keine
Verbindungselemente loslösbar vorgesehen.
Die DE-AS 14 89 097 beschreibt ein formstabiles topfförmiges
Gehäuse, in welchem zwischen Kontaktscheiben eine
Siliziumscheibe angeordnet ist. Die Siliziumscheibe wird
mittels eines formstabilen Stempels zwischen den
Kontaktscheiben eingeklemmt. Ein Formkörper aus elastisch
nachgiebigem Material füllt den Innenraum des topfförmigen
Gehäuses zwischen den Kontaktscheiben, der Siliziumscheibe, dem
Stempel und einem Gehäusedeckel aus. Der Formkörper kann sich
unter Druck entlang einem Anschlußteil ausdehnen. Das Gehäuse
wird mit dem Gehäusedeckel verschweißt oder zusammengebördelt,
d. h. unlösbar verbunden. Eine Reparatur ist folglich nicht
möglich. Infolge der erwähnten druckbedingten
Ausdehnungsmöglichkeit kann es zu einem Druckverlust des
Formkörpers und einer hierdurch bedingten Funktionsunsicherheit
der Kontaktierung kommen.
Aus der DE-B 15 14 162 ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Halbleitergleichrichterzelle mit flächenhafter
Druckkontaktierung der auf ein Unterteil mittels eines
Zentrierringes aufgesetzten Halbleiterscheibe bekannt. Dort
wird auf die Halbleiterscheibe ein Tropfen einer Silikonmasse
gegeben, die beim Ausheizen ein Silikongel bildet, das bei der
Kontaktierung der Halbleiterscheibe mit der Anschlußelektrode
von der Kontaktfläche fortgedrückt wird und die
Halbleiterscheibe an ihren Rändern einbettet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
auch bei zeitlich wechselnder mechanischer und thermischer
Belastung einen konstanten Anpreßdruck gewährleistet, und die
ein einfaches mechanisches Zusammenbauen der
Schaltungsanordnung erlaubt und die einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des
Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch das wärme- und formstabile Montageelement ergibt sich der
Vorteil, daß auch bei langzeitig einwirkenden und/oder
wechselnden mechanischen und/oder thermischen Belastungen ein
Nachgeben bzw. Fließen des Materials für das Montageelement
ausgeschlossen ist, so daß der Preßdruck der
Andrückvorrichtung auf das mindestens eine zu kühlende
Bauelement und/oder auf die mindestens eine Trägerplatte
jederzeit zuverlässig aufrechterhalten und konstant bleibt. Das
Montageelement besteht vorzugsweise aus Metall bzw. aus
formstabilem Kunststoff. Das Montageelement und das Kühlbauteil
können einfach ebenflächig plattenförmig ausgebildet sein; es
ist jedoch auch möglich, bspw. das Kühlbauteil als mit
Kühlrippen versehenen Kühlkörper auszubilden. Entsprechend kann
selbstverständlich auch das Montageelement mit Kühlrippen
versehen sein, um eine beidseitige und somit weiter verbesserte
Kühlung der Trägerplatte zu gewährleisten. Insgesamt ist
eine Schaltungsanordnung relativ kleinen
Volumens und großer Leistungsdichte realisierbar.
Das Kissenelement ist vorzugsweise an seiner vom Montageelement
abgewandten Seite in mindesens annähernder Anpassung an die
Profilierung der mindestens einen Trägerplatte mit Ausnehmungen
und Erhebungen ausgebildet. Bei einer Schaltungsanordnung der
zuletzt genannten Art kann eine Ausnehmung bzw. können
Ausnehmungen zur Fixierung und Justierung einer Trägerplatte
bzw. von Trägerplatten relativ zueinander oder zum Kühlbauteil
vorgesehen sein. Des gleichen können bei einer solchen
Schaltungsanordnung Ausnehmungen zur Fixierung und Justierung
von starren loslösbaren Verbindungselementen relativ zu der
mindestens einen Trägerplatte vorgesehen sein. Erhebungen
können bei einer derartigen Schaltungsanordnung unmittelbar
gegen die mindestens eine Trägerplatte oder gegen das
mindestens eine an der entsprechenden Trägerplatte angeordnete
Bauelement drücken.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist
außerdem die
besonderen Vorteile auf, daß sie sehr montage- und
reparaturfreundlich ist, weil es problemlos möglich ist, eine
schadhafte Trägerplatte durch eine ungebrauchte neue bzw.
funktionstüchtige Trägerplatte zu ersetzen. Zu diesem Zweck ist
es nur erforderlich, die Andrückvorrichtung vom Kühlbauteil zu
entfernen und die schadhafte Trägerplatte durch eine
entsprechende andere Trägerplatte zu ersetzen, wonach die
Andrückvorrichtung wiederum am Kühlbauteil befestigt werden
kann. Das erfolgt bspw. durch Schraub- und/oder
Klemmverbindungen. Vorteilhaft kann es sein, das Montageelement
der Andrückvorrichtung mit dem Kühlbauteil mittels federnder
Verbindungselemente wie Federscheiben o. dgl. zu verbinden,
wodurch jegliches Nachgeben zwischen diesen Teilen ausgeglichen
werden kann.
Eine gegen Einflüsse von außen zuverlässig geschützte
Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn mindestens eine Erhebung
als in sich geschlossener Dichtungswulst ausgebildet ist. Damit
können einzelne Bauelemente bzw. einzelne Trägerplatten oder
die gesamte Schaltungsanordnung abgedichtet und geschützt
werden.
Um eine zuverlässige Anpreßkraft zu gewährleisten, mit welcher
die mindestens eine Trägerplatte gegen das Kühlbauteil gedrückt
wird, um einen guten, großflächigen Wärmekontakt von der
Trägerplatte zum Kühlbauteil zu gewährleisten, ist es
vorteilhaft, wenn das Montageelement auf seiner dem Kühlbauteil
zugewandten Innenseite eine Profilierung aufweist, die
mindestens annähernd an die Profilierung des mindestens einen
Kissenelementes angepaßt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann das
mindestens eine, auf der Trägerplatte angeordnete, zu kühlende
Bauelement vollständig mit einer Weichvergußmasse bedeckt
sein. Bei dieser Weichvergußmasse handelt es sich bspw. um
eine Silikongummimasse.
In einem vergrößerten Maßstab angedeuteten Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der
Schaltungsanordnung und
Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt durch eine
zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine
Schaltungsanordnung 10 mit einem Kühlbauteil 12. Das
Kühlbauteil 12 ist bei dem in dieser Figur gezeichneten
Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 10 als einfache
Platte ausgebildet. Auf dem Kühlbauteil 12 ist eine
Trägerplatte 14 angeordnet, die mit Kontaktflächen 16 und auf
der von den Kontaktflächen 16 abgewandten Unterseite mit einer
Metallschicht 18 versehen ist, um zwischen der Trägerplatte 14
und dem Kühlbauteil 12 eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten.
Auf der Trägerplatte 14 ist ein chipförmiges Bauelement 20
angeordnet, das Kontakte 22 und 24 aufweist. Der Kontakt 24 ist
mit einer zugehörigen Kontaktfläche 16 der Trägerplatte 14
verbunden. Die Kontakte 22 des chipförmigen Bauelementes 20
sind mittels flexibler Verbindungselemente 26, z. B. mittels
Bonddrähten, mit zugehörigen Kontaktflächen 16 der Trägerplatte
14 elektrisch leitend verbunden.
Von der Trägerplatte 14 getrennt ist auf dem Kühlbauteil 12 ein
Substrat 28 mit Anschlüssen 30 und 32, die voneinander mittels
einer Isolierung 34 elektrisch isoliert sind, gezeichnet. Ein
starres Verbindungselement 36 in Form eines Bügels ist dazu
vorgesehen, zwischen der entsprechenden Kontaktfläche 16 an der
Trägerplatte 14 und dem entsprechenden Anschluß 32 am Substrat
28 eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen.
Die Schaltungsanordnung 10 weist eine Andrückvorrichtung 38 mit
einem Montageelement 40 und einer Drückeinrichtung 42 auf. Die
Drückeinrichtung 42 ist an der dem Kühlbauteil 12 zugewandten
Unter- bzw. Innenseite 44 des Montageelementes 40 vorgesehen.
Das Montageelement 40 besteht bspw. aus Metall und ist wärme-
und formstabil.
Das Kühlbauteil 12 und das Montageelement 40 sind miteinander
mechanisch verbunden, was durch die dünnen strichpunktierten
Linien 45 zwischen den axial fluchtenden Durchgangslöchern 46,
48 angedeutet ist. Diese mechanische Verbindung kann durch
(nicht gezeichnete) Federelemente erfolgen, durch welche ein
bestimmter Anpreßdruck aufrechterhalten wird. Bei diesen
Federelementen handelt es sich bspw. um an sich bekannte
Federscheiben o. dgl.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung 10 im nicht
zusammengebauten Zustand angedeutet, bei welcher die
Andrückvorrichtung 38 bzw. die Drückeinrichtung 42 der
Andrückvorrichtung 38 ein Kissenelement 54 aus einem elektrisch
isolierenden und elastisch nachgiebigen Material aufweist. Das
Kissenelement 54 ist an seiner vom Montageelement 40
abgewandten Seite 56 in mindestens annähernder Anpassung an die
Höhenprofilierung der Trägerplatte 14, des auf der Trägerplatte
14 angeordneten chipförmigen Bauelementes 20 bzw. der starren
Verbindungselemente 36 zwischen der Trägerplatte 14 und dem
Substrat 28 mit Ausnehmungen 58, 60 und mit Erhebungen 62 und
64 ausgebildet. Die Ausnehmungen 58, d. h. die in sich
zusammenhängende Ausnehmung 58 dient insbes. zur Justierung der
Trägerplatte 14 in bezug auf das Kühlbauteil 12, während
die/jede Ausnehmung 60 zur Justierung eines zugehörigen starren
Verbindungselementes 36 dient. Mit Hilfe der Andrückvorrichtung
38 wird also nicht nur die Trägerplatte 14 mit dem chipförmigen
Bauelement 20 sowie das Substrat 28 mit den Anschlüssen 30 und
32 genau passend am Kühlbauteil 12 festgelegt, sondern
gleichzeitig mit den starren Verbindungselementen 36 der
entsprechende elektrisch leitende Kontakt zwischen
Kontaktflächen 16 an der Trägerplatte 14 und bspw. dem
Anschluß 32 am Substrat 28 hergestellt.
Die Erhebungen 62 dienen zum Andrücken der Trägerplatte 14
entweder unmittelbar oder über das chipförmige Bauelement 20 am
Kühlbauteil 12. Eine in sich geschlossene umlaufende Erhebung
66 ist als Dichtungswulst ausgebildet, ebenso wie ein äußerer
umlaufender Dichtungswulst 64. Eine Weichvergußmasse 68
bedeckt das auf den Trägerkörper 14 befestigte chipförmige
Bauelement 20.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung 10 im geöffneten Zustand
dargestellt, bei welcher das Montageelement 40 der
Andrückvorrichtung 38 als ebene Platte ausgebildet ist.
Demgegenüber ist in Fig. 2 eine Ausführungsform der
Schaltungsanordnung 10 gezeichnet, bei welcher das
Montageelement 40 auf seiner dem Kühlbauteil 12 zugewandten
Innenseite 44 eine Profilierung aufweist, die mindestens
annähernd an die Profilierung 56 des Kissenelementes 54 der
Andrückvorrichtung 38 angepaßt ist. Im übrigen ist die
Schaltungsanordnung 10 gemäß Fig. 2 ähnlich ausgebildet wie
die in Fig. 1 gezeichnete Ausführungsform der
Schaltungsanordnung
10, so daß es sich erübrigt, alle
Einzelheiten der Schaltungsanordnung 10 in Verbindung mit Fig. 2
noch einmal detailliert zu beschreiben. Gleiche Einzelheiten
sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung mit mindestens einer Trägerplatte
(14), auf welcher mindestens ein zu kühlendes
chipförmiges Bauelement (20), insbes. Leistungs-
Halbleiterbauelement, und Kontaktflächen (16) vorgesehen
sind, wobei das/jedes Bauelement (20) mit zugehörigen
Kontaktflächen (16) mittels Verbindungselementen (26)
elektrisch leitend verbunden ist, mit einem Kühlbauteil
(12), auf welchem die mindestens eine Trägerplatte (14)
angeordnet ist, und mit einer Andrückvorrichtung (38),
mit welcher die mindestens eine Trägerplatte (14) gegen
das Kühlbauteil (12) gedrückt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Andrückvorrichtung (38) mindestens ein wärme- und
formstabiles Montageelement (40) und ein Kissenelement
(54) aus einem elektrisch isolierenden, elastisch
nachgiebigen Material als Drückeinrichtung (42) aufweist,
das auf der dem Kühlbauteil (12) zugewandten Innenseite
(44) des Montageelementes (40) vorgesehen ist, und das
gegen das mindestens eine zu kühlende Bauelement (20)
und/oder in dessen Nachbarschaft elektrisch isoliert
gegen die mindestens eine Trägerplatte (14) drückt, und
daß in dem Kissenelement (54) Ausnehmungen (60) zur
Justierung und zur Fixierung von starren, loslösbaren
Verbindungselementen (36) vorgesehen sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kissenelement (54) an seiner vom Montageelement
(40) abgewandten Seite (56) in mindestens annähernder
Anpassung an die Profilierung der mindestens einen
Trägerplatte (14), des mindestens einen Bauelementes (20)
bzw. der Verbindungselemente (36) auf dem Kühlbauteil
(12) mit Ausnehmungen (58, 60) und Erhebungen (62, 64,
66) ausgebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Ausnehmung (58) bzw. daß Ausnehmungen (58) zur
Justierung einer Trägerplatte (14) bzw. von Trägerplatten
(14) relativ zum Kühlbauteil (12) vorgesehen ist/sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kissenelement (54) Erhebungen (62) zum
unmittelbaren Andrücken der mindestens einen Trägerplatte
(14) bzw. zum Andrücken der mindestens einen Trägerplatte
(14) über das mindestens eine an der entsprechenden
Trägerplatte (14) angeordnete Bauelement (20) am
Kühlbauteil (12) aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Erhebung (64, 66) als in sich
geschlossener Dichtungswulst ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Montageelement (40) auf seiner dem Kühlbauteil
(12) zugewandten Innenseite (40) eine Profilierung
aufweist, die mindestens annähernd an die Profilierung
(56) des mindestens einen Kissenelementes (54) angepaßt
ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine, auf der Trägerplatte (14)
angeordnete, zu kühlende Bauelement (20) vollständig mit
einer Weichvergußmasse (68) bedeckt ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Montageelement (40) mit dem Kühlbauteil (12)
mechanisch verbunden ist, wobei die mechanische
Verbindung (bei 45) mindestens ein Federelement aufweist.
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