Title:
Leistungshalbleitermodul
Kind Code:
A1
Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem insbesondere auf einem Substrat (3) angeordneten Halbleiterbauelement (2) und einem das Halbleiterbauelement (2) zumindest teilweise umschließenden Gehäuse (4), wobei das Gehäuse (4) mit einem syntaktischen Schaum (5) als Explosionsschutz gefüllt ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines syntaktischen Schaums (5) als Explosionsschutz bei Leistungshalbleitermodulen (1).



Inventors:
Wagner, André (52062, Aachen, DE)
Schnettler, Armin, Prof. Dr. (52076, Aachen, DE)
Knauel, Jens (52066, Aachen, DE)
Application Number:
DE102016103676A
Publication Date:
09/07/2017
Filing Date:
03/01/2016
Assignee:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, 52062 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10200372A1N/A2003-07-24
DE19649798A1N/A1998-06-04
Foreign References:
201202939642012-11-22
EP03086761989-03-29
Attorney, Agent or Firm:
Feder Walter Ebert Patentanwälte, 40237, Düsseldorf, DE
Claims:
1. Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem Halbleiterbauelement (2) und einem das Halbleiterbauelement (2) zumindest teilweise umschließenden Gehäuse (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) mit einem syntaktischen Schaum (5) als Explosionsschutz gefüllt ist.

2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) eine Matrix umfasst, in welche Mikrohohlkugeln (6) eingebracht sind.

3. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) elektrisch isolierend ausgebildet ist.

4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, insbesondere eine elektrische Durchschlagfestigkeit von mehr als 25 kV/mm, aufweist.

5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5), insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 150°C, thermisch stabil ausgebildet ist.

6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen und/oder mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des syntaktischen Schaums (5) einstellbar sind.

7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) zur Einstellung der Materialeigenschaften mindestens ein Zusatzmaterial (7) aufweist.

8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über das Zusatzmaterial (7) die feldsteuernden Eigenschaften einstellbar sind.

9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) kompressibel ausgebildet ist.

10. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrohohlkugeln (6) und/oder die Zusatzmaterialien (7) in dem syntaktischen Schaum (5) homogen verteilt sind.

11. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllgrad der Mikroholhkugeln (6) in einem Randbereich des Gehäuses (4) größer ist als im Bereich des Halbleiterbauelements (2).

12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum (5) mehrere Bereiche (8.1, 8.2, 8.3) mit voneinander verschiedenen funktionellen Eigenschaften aufweist.

13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (8.3) des Schaums mit höherer elektrischer Festigkeit und/oder geringerer Kompressibilität im Bereich des Halbleiterbauelements (2) und ein Bereich (8.1) des Schaums mit geringerer elektrischer Festigkeit und/oder höherer Kompressibilität im Randbereich des Gehäuses (4) angeordnet ist.

14. Verwendung eines syntaktischen Schaums (5) als Explosionsschutz bei Leistungshalbleitermodulen (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem insbesondere auf einem Substrat angeordneten Halbleiterbauelement und einem das Halbleiterbauelement zumindest teilweise umschließenden Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines syntaktischen Schaums als Explosionsschutz bei Leistungshalbleitermodulen.

Derartige Leistungshalbleitermodule finden beispielsweise in der Antriebs- oder Energietechnik Anwendung, wo sie etwa für Umrichter in Traktionsanwendungen oder dergleichen verwendet werden können. Die Leistungshalbleitermodule umfassen zumeist ein oder mehrere Substrate, die auf einer metallischen Trägerplatte angeordnet werden können, sowie ein oder mehrere Halbleiterbauelemente. Die Halbleiterbauelemente, wie IGBTs und/oder Dioden sind untereinander und nach außen hin über Kontaktbahnen miteinander kontaktiert. Die Verbindung der einzelnen Kontaktbahnen kann wiederum über Bonddrähte etc. erfolgen.

Zum Schutz vor äußeren Einwirkungen, wie Umwelteinflüssen, Verschmutzungen oder Beschädigungen, werden die Halbleiterbauelemente zumindest teilweise von einem Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse kann aus einem Kunststoffmaterial gefertigt werden, so dass sich ein kompakter und kostengünstiger Aufbau bei gleichzeitig hoher Funktionalität ergibt. Das Gehäuse kann bevorzugt auf die Trägerplatte aufgesetzt und mit dieser verbunden werden, wodurch ein abgeschlossenes Leistungshalbleitermodul entsteht.

Da die Halbleiterbauelemente mit Betriebsspannungen von bis zu mehreren Kilovolt und Nennströmen von bis zu einigen hundert Ampere betrieben werden, sind Ausgestaltungen bekannt, bei welchen der Gehäusehohlraum mit einer festen Vergussmasse, insbesondere ein polymeres Vollmaterial wie Silikongel, gefüllt wird, die als elektrisches Isolationssystem dient. Ein solches Leistungshalbleitermodul wird beispielsweise in der DE 102 00 372 A1 beschrieben.

Derartige Isolationsmaterialien haben sich zwar in der Praxis durchaus bewährt, da sie eine relativ hohe elektrische Festigkeit sowie eine konstante relative Permittivität über ein breites Frequenzspektrum aufweisen. Es besteht jedoch die Gefahr, dass insbesondere im Fehlerfall Lichtbögen in den Leistungshalbleitermodulen auftreten können, welche aufgrund des thermisch bedingten Druckanstiegs zu einer Explosion des Leistungshalbleitermoduls und damit zu einer vollständigen Zerstörung führen können. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für die Umgebung dar, z. B. für Personen oder für benachbarte Anlagen. Insoweit ist es vorteilhaft, nicht nur den ungestörten Betrieb der Anlagen sicherzustellen, sondern aber auch die Auswirkungen im Fehlerfall zu reduzieren.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Leistungshalbleitermodul anzugeben, welches die Gefahr einer Explosion des Leistungshalbleitermoduls verringert.

Bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Gehäuse mit einem syntaktischen Schaum als Explosionsschutz gefüllt ist.

Durch die Integration eines solchen syntaktischen Schaums in den Gehäusehohlraum des Leistungshalbleitermoduls entsteht ein Explosionsschutz. Die im Falle eines Versagens des Moduls v auftretende kinetische Energie aufgrund von Störlichtbögen oder dergleichen kann von dem syntaktischen Schaum durch Deformation aufgenommen werden. Auf diese Weise kann einer Explosion entgegengewirkt werden, so dass ein ungestörter Betrieb erreicht und Personenschäden vermieden werden können. Wenn der syntaktische Schaum auch gute elektrische Isoliereigenschaften hat, wirkt er insoweit bevorzugt auch als vorbeugender Explosionsschutz.

Bevorzugt umfasst der syntaktische Schaum eine Matrix, in welche Mikrohohlkugeln eingebracht sind. Es kann sich bei dem syntaktischen Schaum insoweit um ein Kompositmaterial handeln. Die Matrix kann verschiedenartig ausgebildet und eine Polymermatrix oder nicht-Polymermatrix sein. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung einer Polymermatrix bestehend aus einem Gießharz, Extrudat oder einer Spritzgussmasse. Als mögliche Materialien für die Polymermatrix können starre oder flexible Epoxidharze, Silikonelastomere, Silikongele, Thermoplaste oder weitere Kunststoffe zur Herstellung des syntaktischen Schaums verwendet werden.

Die Hohlkugeln können bevorzugt die Poren des Schaums nachbilden. Durch das Einbringen von Hohlkugeln und insbesondere von Mikrohohlkugeln in den Schaum besteht keine direkte Grenzfläche zwischen der Matrix und dem Füllfluid, sondern eine Grenzfläche zwischen der Matrix und der Kugelwand sowie zwischen der Kugelwand und dem Füllfluid. Es entsteht ein geschlossenporiger Schaum.

Die Hohlkugeln können als Wandmaterial ein organisches oder anorganisches Material aufweisen und beispielsweise aus Glas, Keramik oder Kunststoff hergestellt sein. Die Hohlkugeln können mit einem Fluid, insbesondere einem Gas, gefüllt sein und einen mittleren Durchmesser von unter einem Millimeter aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Hohlkugeln einen Durchmesser von unter 500 µm auf. Die Hohlkugeln können vorzugsweise eine dünne Wandstärke aufweisen, welche im Bereich von weniger als 100 µm und besonders bevorzugt im Bereich von weniger als 10 µm liegt. Als Füllfluide können beispielsweise Materialien wie N2, CO2, SO2, Pentane oder SF6 verwendet werden.

Es ist ferner bevorzugt, wenn der syntaktische Schaum elektrisch isolierend ausgebildet ist. Durch das Füllen des Gehäusehohlraums mit einem elektrischen Isolationsmaterials in Form des syntaktischen Schaums kann Überschlägen, Teilentladungen oder dergleichen, welche aufgrund der hohen Betriebsspannungen auftreten können, entgegengewirkt werden. Auf diese Weise kann einer Zerstörung der Leistungshalbleitermodule auch langfristig entgegengewirkt werden. Der syntaktische Schaum hat hierbei die Doppelfunktion aus Explosionsschutz und elektrischer Isolierung.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht daher vor, dass der syntaktische Schaum eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, insbesondere eine elektrische Durchschlagfestigkeit von mehr als 25 kV/mm, aufweist. Bevorzugt kann die elektrische Durchschlagfestigkeit in einem Bereich zwischen 25 kV/mm und 100 kV/mm, besonders bevorzugt zwischen 25 kV/mm und 50 kV/mm und besonders bevorzugt im Bereich von 35 kV/mm liegen. Auf diese Weise können auch sehr hohe elektrische Feldstärken bei Leistungshalbleitermodulen zuverlässig gehandhabt werden, ohne dass es zu einer Zerstörung und insbesondere zu einer Explosion des Leistungshalbleitermoduls kommt.

Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung kann der syntaktische Schaum, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 150°C, thermisch stabil ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein Leistungshalbleitermodul zur Verfügung gestellt werden, welches auch hohen thermischen Anforderungen gerecht wird. Bevorzugt kann der syntaktische Schaum aus einem Material gefertigt sein, welches sich auch dauerhaft nicht thermisch zersetzt. Darüber hinaus ist es ferner von Vorteil, wenn sich die Materialkennwerte des Schaums in den verschiedenen Temperaturbereichen und/oder Frequenzbereichen nicht signifikant voneinander unterscheiden, sondern in etwa gleichbleibend sind. Hierdurch kann die elektrische Festigkeit des Schaums langfristig gewährleistet werden. Des Weiteren kann die Rissbildung bei auftretenden Temperaturwechselbelastungen vermieden werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen und/oder mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des syntaktischen Schaums einstellbar sind. Syntaktischer Schaum bietet hierfür eine Vielzahl an möglichen Einstellmöglichkeiten der verschiedenen Parameter, so dass sich eine breitbandige Parametrierbarkeit ergeben kann. Durch das Einstellen der einzelnen Parameter kann das Leistungshalbleitermodul so je nach Anwendungszweck zielgerichtet angepasst werden, so dass ein besonders geeignet angepasstes Modul zur Verfügung gestellt werden kann. Besonders bevorzugt können die Parameter derart eingestellt werden, dass die Anforderungen an die relevanten Temperatur- und Frequenzbereiche eingehalten werden können. Zur Einstellung der einzelnen Parameter können bevorzugt das Matrixmaterial, die Eigenschaften der Mikrohohlkugeln oder dergleichen angepasst werden. So können beispielsweise der Füllgrad, der Durchmesser, die Wandstärke, das Wandmaterial, die Oberflächenbeschichtung oder das Füllfluid der Mikrohohlkugeln je nach Bedarf angepasst werden.

Besonders bevorzugt in diesem Zusammenhang ist, wenn der syntaktische Schaum zur Einstellung der Materialeigenschaften mindestens ein Zusatzmaterial aufweist. Durch die Zugabe von Zusatzmaterialien können die thermischen, mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften zusätzlich spezifisch eingestellt werden. Als Zusatzmaterialien können bevorzugt organische und/oder anorganische Nano- und/oder Mikropartikel, wie mineralische Partikel im µm- oder nm-Bereich, Rußpartikel oder Polymerpartikel im µm- oder nm-Bereich, verwendet werden.

Weiter vorteilhaft ist, wenn über das Zusatzmaterial die feldsteuernden Eigenschaften einstellbar sind. Hierzu können die Zusatzmaterialien feldsteuernde Eigenschaften aufweisen. Als Zusatzmaterial können dann beispielsweise Varistoren und insbesondere Mikrovaristoren verwendet werden, die zur Steuerung der feldsteuernden Eigenschaften als funktionelle Füllstoffe in den Schaum eingebracht werden können. Die Mikrovaristoren können besonders bevorzugt als halbleitende oder nicht lineare Elemente zur Potentialsteuerung ausgebildet sein. Als Materialien können Metalloxide, und insbesondere Zinkoxid, halbleitende oder nicht lineare Materialien verwendet werden.

Bevorzugt ist der syntaktische Schaum kompressibel ausgebildet. Diese Kompressibilität kann durch die Mikrohohlkugeln und/oder durch Zugabe von bestimmten Zusatzmaterialien erreicht werden. Die Verwendung des syntaktischen Schaums als kompressible Vergussmasse bietet den Vorteil, dass Rissbildungen, beispielsweise hervorgerufen durch thermische oder mechanische Belastungen, wie auftretende Beschleunigungskräfte, thermomechanische Spannungen, Temperaturwechselbelastungen oder dergleichen, entgegengewirkt werden kann. Durch die Zugabe von Zusatzmaterialien kann die Rissausbreitung bei schon vorhandenen Rissen eingeschränkt werden. Die schon entstandenen Risse können nicht weiter aufreißen, wodurch die Haltbarkeit des Leistungshalbleitermoduls weiter verbessert werden kann. Darüber hinaus können auch die Eigenschaften des Schaums als vorbeugender Explosionsschutz weiter verbessert werden, da die im Fehlerfall entstehende kinetische Energie besser von dem kompressiblen Material als von einem wenig kompressiblen Material aufgenommen werden kann. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls, insbesondere bei erhöhten mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Anforderungen gesteigert werden.

Durch die Verwendung eines syntaktischen Schaums im Gegensatz zu einem Vollmaterial oder einem konventionellen, insbesondere offenporigen Schaums entsteht der Vorteil, dass die Poren des Schaums insbesondere durch die steuerbare Verteilung der Mikrohohlkugeln bei der Herstellung einstellbar sind, so dass unterschiedliche lokale Eigenschaften des Schaumes erreicht werden können.

Eine mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass die Mikrohohlkugeln und/oder die Zusatzmaterialien in dem syntaktischen Schaum homogen verteilt sind. Durch eine homogene Anordnung können in jedem Bereich des Gehäuses des Leistungshalbleitermoduls gleichbleibende elektrische, thermische und/oder mechanische Eigenschaften erzielt werden. So kann insbesondere auch eine hohe elektrische Festigkeit langfristig sichergestellt werden. Vorteilhafterweise kann die Aufschäumzeit während des Herstellungsprozesses eine bestimmte Dauer nicht überschreiten, um eine homogene Füllstoffverteilung realisieren zu können.

Es ist jedoch besonders bevorzugt, wenn der syntaktische Schaum mehrere Bereiche mit voneinander verschiedenen funktionellen Eigenschaften aufweist. Der Schaum kann unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Materialkennwerten aufweisen, so dass sich je nach Bereich unterschiedliche elektrische, thermische und/oder mechanische Eigenschaften einstellen lassen. Durch eine gezielte Wahl der Prozessparameter während des Herstellungsprozesses kann diese Bereichsbildung auf einfache Art und Weise realisiert werden.

Bevorzugt hat der syntaktische Schaum im Bereich des Halbleiterbauelements eine höhere elektrische Festigkeit und/oder geringere Kompressibilität als in einem Randbereich des Gehäuses. Insbesondere kann der Füllgrad der Hohlkugeln zum Randbereich hinzunehmen. Ist es also von Vorteil, wenn ein Bereich des Schaums mit höherer elektrischer Festigkeit und/oder geringere Kompressibilität im Bereich des Halbleiterbauelements und ein Bereich geringerer elektrischer Festigkeit und/oder höherer Kompressibilität im Randbereich des Gehäuses angeordnet ist.

Es hat sich gezeigt, dass mit steigendem Füllgrad der Mikrohohlkugeln die Kompressibilität des Schaumes steigt und die elektrische Festigkeit abnimmt. Bevorzugt ist der Füllgrad der Mikrohohlkugeln in einem Randbereich des Gehäuses größer als im Bereich des Halbleiterbauelements.

Durch die Füllung des Gehäuses mit einem Schaum mit unterschiedlichen funktionalen Bereichen kann auf lokal spezifische Anforderungen des Leistungshalbleitermoduls eingegangen werden. Denn innerhalb des Leistungshalbleitermoduls können unterschiedliche Voraussetzungen an den das Gehäuse füllenden syntaktischen Schaum herrschen. So kann beispielsweise eine geringere elektrische Festigkeit im Bereich des Gehäusedeckels gegenüber der unmittelbaren Halbleiterbauelementumgebung gefordert sein. Teilentladungen im Bereich des Halbleiterbauelements kann so bevorzugt durch eine hohe elektrische Festigkeit entgegengewirkt werden. Gleichzeitig können aber auch die Eigenschaften als vorbeugender Explosionsschutz weiter verbessert werden, da im Randbereich des Gehäuses ein Bereich mit geringer elektrischer Festigkeit und hoher Kompressibilität vorhanden ist, so dass z. B. ein Absprengen des Gehäusedeckels verhindert werden kann.

Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung eines syntaktischen Schaums als Explosionsschutz bei Leistungshalbleitermodulen, insbesondere nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen.

Die im Zusammenhang mit dem Leistungshalbleitermodul beschriebenen Merkmale können vorteilhaft allein oder in Kombination auch bei der Verwendung Anwendung finden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Hierin zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Leistungshalbleitermoduls,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls mit homogener Füllstoffverteilung und

3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls mit funktionellen Bereichen.

In der 1 ist in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 1 dargestellt. Solche Leistungshalbleitermodule 1 finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung. Im Speziellen werden diese Module 1 jedoch im Bereich der elektrischen Antriebs- und Energietechnik etwa für Umrichter in Traktionsanwendungen eingesetzt.

Wie dies der 1 zu entnehmen ist, weist das Leistungshalbleitermodul 1 mindestens ein auf einem Substrat 3 angeordnetes Halbleiterbauelement 2 auf, das in einem Gehäuse 4 angeordnet ist. Als Halbleiterbauelemente 2 kommen zumeist IGBTs und/oder Dioden zum Einsatz. Es kann jedoch auch eine Vielzahl anderer elektronischer Halbleiterbauelemente 2, wie MOSFETs, BJTs, Thyristoren oder dergleichen verwendet werden. Die Halbleiterbauelemente 2 können untereinander und nach außen hin über Kontaktbahnen elektrisch miteinander verbunden sein. Die Verbindung zu den Kontaktbahnen erfolgt wiederum über Bonddrähte 10. Als Boden des Leistungshalbleitermoduls 1 dient eine metallische Trägerplatte 9, auf welcher das Substrat 3 angeordnet ist.

Um die Halbleiterbauelemente 2, das Substrat 3 und eventuell noch andere vorhandene Bauelemente vor äußeren Einwirkungen, wie Feuchtigkeit, Schmutz oder dergleichen zu schützen, umfasst das Leistungshalbleitermodul 1 ein Gehäuse 4. Das Gehäuse 4 umschließt dabei die Halbleiterbauelemente 2 zumindest teilweise. Bevorzugt ist das Gehäuse 4 mit der Trägerplatte 9 mechanisch verbunden, so dass sich ein fest verschlossener Gehäusehohlraum ergibt. Das Gehäuse 4 ist z. B. aus Kunststoff gefertigt, so dass ein leichtes, jedoch zugleich elektrisch isolierendes Gehäuse 4 zur Verfügung gestellt werden kann. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Leistungshalbleitermodul 1 und insbesondere der Schaum 5 auch bei einer Exposition des Leitungshalbleitermoduls 1 gegenüber Umwelteinflüssen keine chemisch-thermische Alterung erfährt.

Aufgrund des Anwendungsbereiches der Leistungshalbleitermodule 1 in der Antriebs- oder Energietechnik weisen die Halbleiterbauelemente 2 Betriebsspannungen von bis zu mehreren Kilovolt und Nennströme von bis zu einigen hundert Ampere auf. Es ist daher erforderlich, das Gehäuse 4 mit einem elektrischen Isolationsmaterial zu füllen, das thermisch stabil ist. Bekannte Leistungshalbleitermodule 1 verwenden hierzu meist feste Isolationsmaterialien wie Silikongele. Diese stellen in der Regel zwar einen guten vorbeugenden Explosionsschutz dar, da die Entstehung einer elektrischen Entladung und einem damit einhergehenden, thermisch bedingten Druckanstiegs entgegengewirkt wird. Sofern allerdings doch das Isoliersystem versagt und es damit zu einer Explosion im Gehäuse kommt, kann das feste Vollmaterial keinen Explosionsschutz mehr leisten. Es bilden sich schnell Risse im Isoliermaterial, wodurch die elektrische Festigkeit des Isoliersystem zudem weiter sinkt, und das Gehäuse explodiert nach außen.

Das Gehäuse 4 des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 ist daher nicht mit einem solchen Vollmaterial gefüllt, sondern, insbesondere vollständig, mit einem als gutem Explosionsschutz und zugleich gutem vorbeugendem Explosionsschutz dienenden syntaktischen Schaum 5. Der syntaktische Schaum 5 bietet dabei insbesondere den Vorteil, dass bei einem Kurzschluss freiwerdende kinetische Energie aufgenommen werden kann, ohne dass es zu einer signifikanten Ausdehnung oder Rissbildung des Isolationsmaterials und damit zu einer Zerstörung des Moduls 1 kommt.

Der syntaktische Schaum 5 ist in beiden Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 als Kompositmaterial ausgebildet, bei welchem Hohlkugeln 6 in eine Polymermatrix eingebracht sind. Auf diese Weise erfolgt ein direktes Einbringen von Gaseinschlüssen in eine Matrix, wobei keine direkte Grenzfläche zwischen der Polymermatrix und dem Füllgas entsteht. Gemäß den Ausführungsbeispielen ist die Matrix, in welche die Hohlkugeln eingebracht sind, eine Polymermatrix, wie Gießharz, Extrudat oder Spritzgussmasse. Im Gegensatz zu gängigen Vollmaterialien lässt sich aufgrund der Verwendung des syntaktischen Schaums 5 auch die Gesamtmasse der Leistungshalbleitermodule 1 reduzieren.

Die in die Matrix eingebrachten Hohlkugeln 6 können entweder mit einem Gas oder aber einem anderen Fluid, wie N2, CO2, SO2, Pentane oder SF6 gefüllt sein und als Wandmaterial ein organisches oder anorganisches Material, wie Glas, Keramik oder Kunststoff aufweisen. Die Hohlkugeln 6 weisen bevorzugt einen Durchmesser von unter 500 µm auf. Durch das spezifische Einstellen der Kennwerte der Mikrohohlkugeln 6, wie beispielsweise des Füllgrads, des Durchmessers, der Wandstärke, des Wandmaterials, der Oberflächenbeschichtung oder des Füllgases, können die elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des syntaktischen Schaums 5 je nach Anwendungsfall spezifisch eingestellt werden.

Gegenüber konventionellen Schäumen bietet die Verwendung eines syntaktischen Schaums 5 zudem den Vorteil, dass sich eine definierte Hohlraumverteilung und/oder eine definierte Hohlraumgrößenverteilung und damit klar definierte Materialkennwerte einstellen lassen. Die Zuverlässigkeit eines solchen Leistungshalbleitermoduls 1 mit einem syntaktischen Schaum 5 als Explosionsschutz ist damit deutlich höher als bei der Verwendung alternativer Isolationsmaterialien.

Aufgrund der vorherrschenden hohen elektrischen Feldstärken innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 1 ist eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, insbesondere eine elektrische Durchschlagfestigkeit von mehr als 25 kV/mm des Schaums 5 erforderlich. Bevorzugt liegt die elektrische Durchschlagfestigkeit im Bereich zwischen 25 kV/mm und 100 kV/mm, besonders bevorzugt zwischen 25 kV/mm und 50 kV/mm und besonders bevorzugt im Bereich von 35 kV/mm. Auf diese Weise können im Fehlerfall Lichtbögen unterbunden werden, die zu einer Explosion des Leistungshalbleitermoduls 1 führen können. So kann der ungestörte Betrieb der Anlagen sowie Personenschäden vermieden werden und eine hohe Kurz- und Langzeitfestigkeit erreicht werden. Darüber hinaus ist der Schaum 5 elektrisch isolierend ausgebildet, so dass Teilentladungen vermieden werden können, welche auf Dauer zu einer Zerstörung des Leistungshalbleitermoduls 1 führen könnten.

Der Schaum 5 ist ferner, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 150°C, thermisch stabil ausgebildet. So kann auch bei hohem Leistungsumsatz der Halbleiterbauelemente 2 und bei Temperaturwechseln ein sicherer Betrieb sichergestellt werden. Der Schaum 5 ist derart ausgebildet, dass keine thermische Zersetzung stattfindet, und dass sich die Materialkennwerte unter Temperatureinfluss nicht signifikant verändern. So ergibt sich insbesondere eine Stabilität über den relevanten Temperatur- und Frequenzbereich, so dass auch dauerhaft die elektrische Durchschlagfestigkeit erhalten bleibt. Darüber hinaus kann auch Rissbildungen aufgrund von auftretenden Temperaturwechselbelastungen entgegengewirkt werden.

Neben der elektrischen und thermischen Stabilität ist der Schaum 5 zudem auch mechanisch stabil ausgebildet, so dass das Leistungshalbleitermodul 1 auch hohen mechanischen Anforderungen, wie beispielsweise bei Traktionsanwendungen auftretenden Beschleunigungskräften oder thermomechanischen Spannungen, gerecht werden kann und damit einhergehende Rissbildungen im Schaum 5 vermieden werden können.

Ein weiterer Vorteil in der Verwendung eines syntaktischen Schaums 5 als vorbeugender Explosionsschutz besteht darin, dass eine breitbandige Parametrierbarkeit realisiert werden kann. So sind die elektrischen und/oder mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des syntaktischen Schaums 5 je nach Anwendungsfall einstellbar. Eingestellt werden können beispielsweise die dielektrischen Kennwerte, wie die relative Permittivität, der Verlustfaktor oder die spezifische Leitfähigkeit, die thermischen Kennwerte, wie die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit oder die Hitzebeständigkeit und/oder die mechanischen Kennwerte, wie das E-Modul, die kritische Spannungsintensität oder die Energiefreisetzungsrate. Als mögliche Einstellmöglichkeiten können beispielsweise das verwendete Matrixmaterial, die Art und Beschaffenheit der Mikrohohlkugeln 6, wie Füllgrad, Durchmesser, Wandstärke, Wandmaterial, Oberflächenbeschichtung und Füllfluid oder aber auch die Zugabe von Zusatzmaterialien 7 sein.

Zur Einstellung der Materialeigenschaften des Schaums 5 kann dem syntaktischen Schaum 5 mindestens ein Zusatzmaterial 7 zugegeben wird. Diese Zusatzmaterialien können beispielsweise organische und/oder anorganische Nano- oder Mikropartikel sein, aber auch beispielsweise Zusatzmaterialien, welche feldsteuernde Eigenschaften aufweisen. Dies können beispielsweise Mikrovaristoren sein.

Durch die Zugabe der Mikrohohlkugeln 6 und/oder der Zusatzmaterialien 7 lässt sich ebenfalls eine Kompressibilität des Schaums 5 erreichen. Dies hat sich insbesondere bei Anwendung mit hoher Beanspruchung als vorteilhaft erwiesen. Denn hierdurch kann die Lebensdauer des Isolationsmaterials 5 und somit auch des Leistungshalbleitermoduls 1 erheblich gesteigert werden, da das Risiko von Rissbildung deutlich vermindert wird. Die Zugabe der Zusatzmaterialien kann dabei zusätzlich eine Rissausbreitung verhindern, so dass schon entstandene Risse nicht zwangsläufig zu einer Zerstörung des Leistungshalbleitermoduls 1 führen müssen. Weiter vorteilhaft ist, dass ein kompressibler Schaum 5 kinetische Energie, wie diese beispielsweise bei dem Auftreten eines Störlichtbogens erzeugt wird, aufnehmen kann.

Wie dies die 2 zeigt, sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Mikrohohlkugeln 6 und die Zusatzmaterialien 7 homogen innerhalb des Schaums 5 und insbesondere homogen innerhalb des Gehäuses 4 verteilt.

Eine homogene Verteilung der Mikrohohlkugeln 6 und/oder der Zusatzmaterialien 7 in dem Schaum 5 kann dadurch erreicht werden, dass während des Herstellungsprozesses die Aufschäumzeit derart gewählt wird, dass keine Phasenbildung auftritt.

Alternativ kann der Schaum 5 nicht homogen ausgebildet sein, sondern mehrere Bereiche 8.1, 8.2, 8.3 aufweisen, welche voneinander verschiedene funktionelle Eigenschaften aufweisen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 1 lokal spezielle Anforderungen herrschen, wie etwa eine geringere elektrische Feldstärke mit Bereich des Gehäuses 4 gegenüber dem unmittelbaren Halbleiterbauelement 2. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt die Darstellung in der 3. Die Abstufung innerhalb des Schaums 5 kann durch gezielte Ausnutzung von während des Herstellungsprozesses entstehenden Effekten erfolgen. Aufgrund der unterschiedlichen Dichten des Matrixmaterials sowie der Mikrohohlkugeln 6 und der Zusatzmaterialien 7 tendiert der Schaum 5 grundsätzlich zu einer Phasenbildung. Dieser Effekt kann gezielt zur Bereichsbildung genutzt werden. Durch eine geeignet Wahl der Prozessparameter lässt sich so ein funktionell abgestuftes Isolationsmaterial 5 herstellen.

Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei welcher ein Bereich 8.3 des Schaumes mit höherer elektrischer Festigkeit und geringerer Kompressibilität im Bereich des Substrats 3 und ein Bereich 8.1 des Schaums mit geringerer elektrischer Festigkeit und höherer Kompressibilität im Randbereich des Gehäuses 4 angeordnet ist. Zwischen diesen Bereichen 8.1, 8.3 kann darüber hinaus eine weitere funktionelle Abstufung 8.2 vorgesehen sein, welche wiederum von den Bereichen 8.1 und 8.3 verschiedene Materialkennwerte aufweist. Der Bereich 8.1 weist dann insbesondere eine geringere elektrische Durchschlagsfestigkeit auf als der Bereich 8.3. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Bereichs 8.3 ist dabei etwa mit der eines Vollmaterials vergleichbar. Die Packungsdichte der Hohlkugeln nimmt ausgehend vom Bereich 8.3 der Halbleiterbauelemente 2 zum Randbereich 8.1 des Gehäuses 4 hin ab. Auf diese Weise können umliegende Module 1 bei gleichzeitig kompakter Bauweise geschützt werden, da kein Zwischenraum zwischen den einzelnen Modulen 1 notwendig ist.

Bezugszeichenliste

1
Leistungshalbleitermodul
2
Halbleiterbauelement
3
Substrat
4
Gehäuse
5
Schaum
6
Mikrohohlkugel
7
Zusatzmaterial
8.1
Bereich
8.2
Bereich
8.3
Bereich
9
Trägerplatte
10
Bonddraht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 10200372 A1 [0004]