DE69414337T2

DE69414337T2 - Leistungs-Halbleiter-Schaltmodul

Info

Publication number: DE69414337T2
Application number: DE69414337T
Authority: DE
Inventors: Charles Tyler Kokomo Indiana 46902 Eytcheson; Donald Eugene Rochester Indiana 46975 Lake
Original assignee: Delco Electronics LLC
Current assignee: Delco Electronics LLC
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2014-08-17
Also published as: JPH07169906A; US5519253A; EP0645814A3; DE69414337D1; EP0645814A2; EP0645814B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltvorrichtungsmodul. Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Leistungsmodul, das mehrere Hochspannungs- und Hochstrom-Halbleiterschaltvorrichtungen enthält, die elektrisch parallel geschaltet sind und mit hoher Frequenz betrieben werden.
Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) sind eine für Leistungsanwendungen äußerst attraktive Halbleitervorrichtung. Sie sind attraktiver als ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate vom Leistungstyp (IGFET), der allgemein als ein MOSFET bezeichnet wird. Ein IGBT kann sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme bei einer kleinen Chip-Größe und bei einem relativ niedrigen "Ein"-Widerstand handhaben. Zusätzlich kann ein IGBT schnell geschaltet werden, was IGBT als Schalter in einem Dreiphaseninverter für eine Anwendung bei einem Hochleistungswechselstrommotor potentiell nützlich macht.
Andererseits bringen die Fähigkeit einer hohen Stromdichte und der niedrige "Ein"-Widerstand des IGBT auch neue Herausforderungen mit sich. Die Möglichkeit eines Versagens der Vorrichtung ist vergrößert, wenn der IGBT hohe Leistung handhabt. Mit hoher Leistung meinen wir Stromdichten, die über ungefähr 135 Ampere pro Quadratzentimeter einer aktiven Chipfläche bei mehreren hundert Volt liegen. Mit Hochfrequenz schalten meinen wir Ein/Aus-Frequenzen über ungefähr 18 Kilohertz, beispielsweise 30 Kilohertz. Wie es erwartet werden könnte, trifft man auf signifikante Impedanz-, Material- und mechanische Probleme bei der Handhabung derartiger Leistung bei hohen Frequenzen und niedrigen Widerständen. Dies stimmt insbesondere für ein Hochleistungs/Hochfrequenz- Modul, bei dem mehrere derartige IGBT elektrisch parallel geschaltet sind. Bisher sind die vorstehenden Probleme so schwierig gewesen, daß nicht viele Hochleistungs/Hochfrequenz-IGBT-Module kommerziell hergestellt worden sind. Diejenigen, die soweit hergestellt worden sind, sind in einer relativ niedrigen Stückzahl hergestellt worden, so daß jedes Modul individuell speziell angefertigt werden konnte.
Die JP-A-62 150871 beschreibt ein Modul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die JP-A-57 010958 offenbart eine radiale Anordnung von Chips in einer Halbleitervorrichtung. Die WO-A-93/08601 beschreibt eine Befestigungsanordnung für Halbleiter.
Die vorliegende Erfindung strebt an, ein verbessertes Halbleiterschaltvorrichtungsmodul zu schaffen.
Ein Halbleiterschaltvorrichtungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung ist gegenüber der JP-A-62 150871 durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung strebt an, Hochfrequenz/Hochleistungs-Module von einem geradlinigen Typ und einem kreisförmigen Typ zu schaffen, die auf der Grundlage kommerzieller Produktion hergestellt werden können. Mit Grundlage kommerzieller Produktion sind Produktionsstückzahlen gemeint, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden.
Die Erfindung strebt auch an, Hochleistungs/Hochschaltfrequenz-IGBT- Module zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Haltbarkeit aufweisen, jedoch trotzdem in kraftfahrzeugtypischen hohen Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar sind.
Das Modul umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere aktive Schaltvorrichtungen mit einem hohen Grad an Zusammensetzungs-, geometrischer und elektrischer Symmetrie. Zusätzlich sind elektrische Leitungen vorzugsweise äußerst kurz gehalten, um parasitäre Impedanzeffekte zu verringern.
Bei einer Einzelschalterausführungsform sind Eingangs- und Ausgangsanschlüsse im wesentlichen konzentrisch und weisen überlappende integrale Umfangsflansche auf. Die Flansche dienen zur elektrischen Verbindung mit mehreren IGBT, die symmetrisch in Umfangsrichtung um die Flansche herum in enger radialer Nähe zu den Flanschen angeordnet sind.
Bei einer Doppelschalterausführungsform sind Eingangs- und Ausgangsanschlüsse zwei Paare überlappende, flache, plattenähnliche Leiter. Jede Platte in jedem Paar überlappende Platten weist eine geradlinige Kante auf, die mit der anderen Plattenkante des Paares übereinstimmt. Die übereinstimmenden Kanten des einen Anschlußpaares sind seitlich von und im allgemeinen parallel zu den übereinstimmenden Kanten des anderen Paares angeordnet. Eine separate parallele Reihe von im allgemeinen gleich beabstandeten IGBT ist nahe bei jedem Paar übereinstimmende Kanten angeordnet. Eine parallele Reihe von Eingangs/Ausgangs-Anschlüssen ist gleichmäßig zwischen den Kanten der Plattenpaare angeordnet. Ein Abschnitt jeder Platte erstreckt sich unter nur einen Anschluß, mit dem er mit diesem Anschluß verbunden ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Schalttransistorsubstratunterbaugruppe ist, die bei einer Modulausführungsform verwendet wird,
Fig. 2 eine elektrische schematische Version der in Fig. 1 gezeigten Schalttransistorsubstratunterbaugruppe ist,
Fig. 3 ein vorstellungsgemäßes, elektrisches, schematisches Schaubild eines Einzelschaltermoduls ist, das mehrere elektrisch parallel angeordnete Substratunterbaugruppen des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Typs enthält,
Fig. 4 die elektrische schematische Version von Fig. 3 zeigt, wie sie tatsächlich in den Fig. 6-11 ausgeführt ist,
Fig. 5 ein elektrisches schematisches Schaubild eines Dreiphasen- DC/AC-Inverters ist, der sechs Schalttransistoren oder sechs Einzelschaltermodule verwendet, die in den Fig. 6-11 gezeigt sind,
Fig. 6 eine Draufsicht eines Einzelschaltermoduls ist, das koaxiale Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse und einen Deckel aufweist, der sich an seiner Stelle befindet,
Fig. 7 eine vergrößerte Innenansicht des in Fig. 6 gezeigten Moduls in einem frühen Zusammenbaustadium ist, bevor der äußere koaxiale Anschluß und die Gehäuseseitenwände und das Oberteil eingeschlossen sind, die eine kreisförmige Anordnung von Schalttransistoren und eine Gate-Schaltung zeigt, wobei dies im wesentlichen eine Ansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 9 ist,
Fig. 8 eine Draufsicht des Inneren des Moduls von Fig. 7 in einem späteren Zusammenbaustadium ist, das einen äußeren koaxialen Anschluß, Gehäuseseitenwände und Fadendrahtverbinder umfaßt,
Fig. 9 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 9-9 von Fig. 6 ist,
Fig. 10 eine bruchstückhafte Querschnitts- und Aufrißansicht entlang der Linie 10-10 von Fig. 6 ist,
Fig. 11 eine Explosionsperspektivansicht des in den Fig. 3-4 und 6 - 11 gezeigten Moduls ist,
Fig. 12 ein vorstellungsgemäßes, elektrisches, schematisches Schaubild eines Doppelschaltermoduls ist, das zwei Gruppen von wechselseitig elektrisch parallel angeordneten Substratunterbaugruppen von dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Typ enthält,
Fig. 13 die elektrische schematische Version von Fig. 12 zeigt, wie sie tatsächlich in den Fig. 14-20 ausgeführt ist,
Fig. 14 eine Draufsicht, teilweise weggebrochen, eines Doppelschaltermoduls vom geradlinigen Typ in einem frühen Zusammenbau stadium ist und zwei geradlinige Gruppen von Transistorsubstraten zeigt,
Fig. 15 eine Draufsicht des in Fig. 14 gezeigten Doppelschaltermoduls vom geradlinigen Typ in einem anschließenden Zusammenbaustadium ist, bei dem die beiden Substratgruppen mit ihren jeweiligen Anschlußplatten verbunden sind,
Fig. 16 eine Draufsicht des Moduls von Fig. 15 in einem späteren Zusammenbaustadium ist, bei dem ein zweiter Abstandshalter und zwei weitere Anschlußplatten hinzugefügt worden sind,
Fig. 17 eine Draufsicht des Moduls von Fig. 16 ist, wobei das Gehäuse und Drahtverbindungen hinzugefügt sind,
Fig. 18 eine zentrale Schnittansicht durch die Breite des Moduls von Fig. 17 nach dem Hinzufügen eines Gehäusedeckels ist,
Fig. 19 eine zentrale Schnittansicht durch die Länge des Moduls von Fig. 17 nach dem Hinzufügen eines Gehäusedeckels ist und
Fig. 20 eine Explosionsperspektivansicht des in den Fig. 12-20 gezeigten Doppelschaltermoduls vom geradlinigen Typ ist.

Allgemeine Gesichtspunkte

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind wichtige chemische, mechanische und elektrische Gesichtspunkte auf eine sehr besondere Art und Weise kombiniert worden, um einen Hochleistungs/Hochfrequenz- Schalter mit niedriger Induktivität zu erhalten. Es ist nicht anzunehmen, daß diese besondere gegenseitige Abhängigkeit lediglich aus einer einfachen Beschreibung der Schalteranordnung leicht ersichtlich ist oder verstanden werden kann. Die Funktion und die gegenseitige Abhängigkeit der Schalterteile muß ebenso beschrieben werden.
Es sollen zwei komplexe Schaltermodule beschrieben werden. Um eine Wiederholung zu vermeiden und ihre Merkmale und Arbeitsweise leichter verständlich zu machen, werden zuerst wichtige gattungsgemäße Aspekte von diesen beschrieben.
Wie es oben gezeigt ist, umfaßt diese Erfindung ein Halbleitermodul, um elektrische Ströme mit hoher Energie bei hohen Frequenzen handzuhaben. Sie umfaßt auch die Herstellung und die Arbeitsweise einer derartigen Vorrichtung. Das Modul der bevorzugten Ausführungsform weist eine oder mehrere aktive Schaltvorrichtungen auf und zeigt einen hohen Grad an Zusammensetzungs-, geometrischer und elektrischer Symmetrie. Zusätzlich sind elektrische Leitungen zwischen jeder Leistungsvorrichtung in dem Modul und Eingangs- und Ausgangsanschlüsse für das Modul vorzugsweise äußerst kurz gehalten, um parasitäre Impedanzeffekte in dem Modul zu verringern.
Die Eingangs- und Ausgangsleiter für irgendeine gegebene Halbleitervorrichtung in einem Modul sind vorzugsweise so konstruiert, daß sie eine ähnliche Impedanz aufweisen. Wenn in dem Modul mehrere Vorrichtungen elektrisch parallel geschaltet sind, weisen vorzugsweise auch alle Eingangsleitungen das gleiche Material und die gleiche Ausgestaltung auf. Dies stellt eine gleiche, d. h. gleichmäßige, Impedanz unter allen Eingangsleitungen und allen Ausgangsleitungen und eine Ähnlichkeit der Im pedanz zwischen Eingangs- und Ausgangsleitungen sicher. Eine derartige Gleichmäßigkeit und Ähnlichkeit der Eingangs- und Ausgangsleitungen sind ein Teil der hierin betrachteten Zusammensetzungs- und geometrischen Symmetrie des Moduls. Die Eingangs- und Ausgangsleiter werden gewöhnlich jeweils mehrere Teile aufweisen. Beispielsweise kann es einen speziellen externen Abschnitt geben, der zur speziellen Verbindung mit einem externen Bus ausgebildet ist, einen Zwischenabschnitt, der zur Verbindung mit einer Halbleiterschaltvorrichtung ausgebildet ist, und einen Abschnitt, der die Verbindung tatsächlich herstellt. Der letztere Abschnitt wäre ein oder mehrere Fadendrähte oder Kontaktbumps, die einen oder mehrere ausgewählte Bereiche eines Halbleiterchips mit dem Zwischenabschnitt eines besonderen Leiters verbinden. Daher kann man sich vorstellen, daß der gebondete Fadendraht oder Kontaktbump ein innerer Endteil des Leiters in dem fertiggestellten Modul ist. Eine Zusammensetzungs- und geometrische Symmetrie ist unter allen entsprechenden Teilen aller Eingangsleiter, unter allen entsprechenden Teilen aller Ausgangsleiter und bis zu dem Ausmaß, mit dem eine Ähnlichkeit durchführbar ist, zwischen den Eingangs- und Ausgangsleitern erwünscht.
Der Vorteil einer Zusammensetzungs- und geometrischen Symmetrie bei Eingangs- und Ausgangsleitern ist die Gleichmäßigkeit des Stromflusses zu und von allen parallel angeordneten Vorrichtungen in dem Modul. Diese Gleichmäßigkeit des Eingangs/Ausgangs-Stromflusses umfaßt inhärent einen anfangs wichtigen Teil der hierin betrachteten elektrischen Symmetrie.
Eine weitere Erweiterung der vorangehenden geometrischen Symmetrie stellt einen zweiten Teil der hierin betrachteten elektrischen Symmetrie bereit. Die Form und Größe der Eingangs- und Ausgangsleiter, minde stens in ihren Zwischenabschnitten, gestattet, daß mindestens diese Abschnitte nahe beieinander angeordnet werden können. Der hierin betrachtete Typ von naher Anordnung ist einer, bei dem die Teile zusammenpassen oder sich zusammenfügen, wobei eine dielektrische Schicht diese beabstandet. Wenn ferner das fertiggestellte Modul betrieben wird, weisen derart angeordnete, angepaßte oder eingefügte Abschnitte der Eingangs- und Ausgangsleiter einen elektrischen Stromfluß auf, der im wesentlichen parallel jedoch in der entgegengesetzten Richtung ist. Es können auch äußere Abschnitte derart angeordnet werden, beispielsweise in konzentrischen Anschlüssen. Bei konzentrischen Anschlüssen kann festgestellt werden, daß die jeweiligen Ausgestaltungen gleich oder ähnlich sind, oder daß sie lediglich komplementär sind. In jedem Fall sind ihre Ausgestaltungen derart, daß sie einen anderen Aspekt von geometrischer Symmetrie bereitstellen, der als enge parallele Nähe bezeichnet werden kann.
Bei der in den Zeichnungen gezeigten konzentrischen Anschlußausführungsform bildet ein einzelnes Element die äußeren und Zwischenabschnitte der Eingangs- und Ausgangsverbindungen mit allen Vorrichtungen in dem Modul. Es wird natürlich ein separates konzentrisches Element sowohl für den Eingang als auch den Ausgang verwendet. Ein derartiger Aufbau ist vorteilhaft in seiner Einfachheit und bei den Herstellungskosten. Das Einfügen der konzentrischen Anschlußabschnitte ist einfach, jedoch effektiv. Er ist auch wegen seiner Einfachheit statistisch ziemlich haltbar. Es sollte acht gegeben werden, daß sichergestellt ist, daß die Plazierung und der Typ aller elektrischen Verbindungen von dem Chip zu dem Element symmetrisch sind, um die Impedanzgleichmäßigkeit zwischen dem Punkt der externen Verbindung mit dem Anschluß und der Chipoberfläche zu bewahren. Dies wird wahrscheinlich eine in Umfangs richtung symmetrische Anordnung von Modulchips um die konzentrischen Eingangs- und Ausgangsleiterelemente herum erfordern.
Diese Erweiterungen einer geometrischen Symmetrie ergeben auch einen zweiten Aspekt einer elektrischen Symmetrie. Wenn die Eingangs- und Ausgangsleiterabschnitte in enger paralleler Nähe angeordnet sind, ist der Stromfluß in diesen Abschnitten parallel, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Die enge Nähe der entgegengesetzten Stromflüsse gestattet, daß die Induktivität von einem Stromfluß mindestens teilweise die Induktivität des anderen Stromflusses negiert und sogar im wesentlichen auslöscht. Unter Verwendung dieses Effekts sind wesentliche Induktivitätsverringerungen erreicht worden. Diese Induktivitätsauslöschung stellt einen zweiten wichtigen Teil der hierin betrachteten elektrischen Symmetrie bereit.
Es ist festzustellen, daß das Vorsehen einer im wesentlichen engen parallelen Nähe der Eingangs- und Ausgangsverbindungen zu einem gegebenen Halbleiterchip schwierig ist. Dies ist der Fall, weil mindestens eine der Verbindungen eine Vielzahl von Fadendrähten sein muß, die jeweils einen Bogen zwischen ihren Enden bilden. Die andere Verbindung wird am wahrscheinlichsten linear oder geradlinig sein, wie in einer geraden oder gebogenen Lasche oder Streifen, der an die Rückseite des Chips gelötet ist. Man sollte vorzugsweise mindestens die Eingangs- und Ausgangsverbindungen zum dem Chip in einer Ebene parallel gestalten, beispielsweise indem der Eingangsbondingdraht so orientiert wird, daß er sich in der gleichen Richtung wie die Ausgangslasche oder der Ausgangsstreifen erstreckt. In jedem Fall sollten die Abschnitte der Verbindungen von dem Chip zu dem Halbleiter, die nicht vollständig parallel gestaltet werden können, so kurz wie möglich gemacht werden. Dies würde die Verwendung von Kontaktbumps für die Verbindung von dem Chip zu dem Halb leiter begünstigen, wenn ein möglicher Weg ihrer Verwendung bei einer derartigen Anordnung gefunden werden kann.
Es wird nun Bezug auf einen dritten wichtigen Aspekt einer elektrischen Symmetrie genommen, die in einem Modul vorzugsweise beobachtet werden sollte. Er umfaßt eine Vorrichtungsanpassung. Alle in unserem Modul verwendeten Transistoren und Dioden sollten vorzugsweise getestet und sortiert sein. Es sollten in dem Modul vorzugsweise nur angepaßte Transistoren und Dioden verwendet werden. Nicht nur das, es werden nur angepaßte Transistor/Dioden-Paare auf den Substratunterbaugruppen verwendet. Damit ist gemeint, daß sie wieder getestet werden, nachdem die Transistoren mit einer Diode paarweise angeordnet worden sind und auf einer Substratunterbaugruppe, wie der Substratunterbaugruppe 10 in Fig. 1, befestigt worden sind. Die Substrate, die ähnliche Betriebseigenschaften aufweisen, werden in das gleiche Modul gesetzt. Eine besondere Betriebseigenschaft, welche die wichtigste sein kann, ist der maximale Strompegel des Transistors, wie er auf dem Substrat befestigt ist. Somit sollten die individuellen Transistoren/Diode-Paare in dem Modul, die elektrisch parallel geschaltet sind, vorzugsweise ähnliche individuelle Betriebseigenschaften aufweisen. Je näher es erwünscht ist, alle derartigen parallel angeordneten Vorrichtungen bei ihren maximalen Leistungsnennwerten zu betreiben, desto näher sollten sie außerdem in ihren maximalen Strompegelnennwerten angepaßt werden.
Das Anpassen der Betriebseigenschaften ist wichtig. Wenn die Impedanz einer Vorrichtung wesentlich kleiner als diejenige von anderen parallel angeordneten Vorrichtungen ist, senkt eine Vorrichtung leicht mehr und mehr Strom, bis die Vorrichtung versagt. Eine derartige Auswirkung kann sehr schnell auftreten.
Wenn die maximalen Strompegelnennwerte der Transistoren nicht angepaßt sind, kann analog ein Transistor mit einem kleineren Nennwert bewirken, daß alle anderen Transistoren mit weniger als ihrem maximalen Stromnennwert betrieben werden.
Es gibt eine zusätzliche Facette bezüglich des dritten Aspektes einer elektrischen Symmetrie. Die zusätzliche Facette ist, daß die angepaßten Vorrichtungen vorzugsweise eine angepaßte Kühlung aufweisen sollten. Eine angepaßte Kühlung ist bei der bevorzugten Ausführungsform wichtig, weil eine Halbleitervorrichtung während des Betriebes Wärme erzeugt. Wenn die Wärme nicht abgeführt wird, wird die Temperatur der Vorrichtung zunehmen. Wenn deren Temperatur zunimmt, wird ihre Betriebsimpedanz verringert. Dieser Effekt erzeugt wiederum noch mehr Wärme, was einen Lawineneffekt bis zum katastrophalen Versagen der Vorrichtung bewirken kann. Durch ein angepaßtes Kühlen ist gemeint, daß die Chip-Betriebstemperaturen selbst während ausgedehnten Betriebes bei maximaler Nennleistung angepaßt, d. h. im wesentlichen gleich bleiben. Es besteht Zuversicht, daß deren Temperatur auch konstant bleibt. Ein angepaßtes Kühlen könnte erreicht werden, indem die Vorrichtungschips gleichmäßig gekühlt werden. Es kann auch erreicht werden, indem jeder Chip mit einer unterschiedlichen Rate gekühlt wird, jedoch mit einer Rate, die bedeutend größer als die Rate ist, mit der von dem Chip Wärme erzeugt wird, und die den Chip unter einer vorbestimmten Betriebstemperatur hält. Ein angepaßtes Kühlen könnte erhalten werden, indem die Vorrichtungschips auf dem Substrat symmetrisch angeordnet werden und das gesamte Substrat gleichmäßig oder mindestens in dem Substratabschnitt gekühlt wird, bei dem die Chips angeordnet sind. Alternativ könnte man wählen, jeden Substratbereich, bei dem ein Chip angeordnet ist, selektiv jedoch gleichmäßig zu kühlen.
Es wird hierin ebenso ein vierter Aspekt einer elektrischen Symmetrie betrachtet. Der vierte Aspekt einer elektrischen Symmetrie beruht darin, daß jeder der parallel angeordneten Halbleitervorrichtungen in dem Modul ein vorbestimmtes, gewöhnlich angepaßtes Steuersignal geliefert wird. Um dieses Ziel in einer von einem isolierten Gate gesteuerten Halbleiterschaltvorrichtung zu erreichen, sollte die Gate-Steuerschaltung vorzugsweise jeder Vorrichtung eine identische Steuerspannung liefern. Es ist zu erkennen, daß es möglich ist, dies durch die Konstruktion vorzunehmen. Jedoch ist es zur Eignung für eine kommerziellen Herstellung bevorzugt, mindestens einen trimmbaren Widerstand in den Gate-Schaltkreis einzuschließen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist für jede parallel angeordnete Vorrichtung in dem Modul ein separater trimmbarer Widerstand in der Gate-Schaltung eingeschlossen. Jeder trimmbare Gate-Widerstand kann getrimmt werden, nachdem der Gate-Schaltkreis zusammengebaut worden ist. In einem derartigen Fall kann der Gate-Schaltkreis mit einer beträchtlich größeren Leistungsfähigkeitstoleranz und mit geringeren Kosten hergestellt werden. Der trimmbare Gate-Widerstand wird so getrimmt, daß er jeder parallel angeordneten Halbleitervorrichtung in dem Modul eine gleiche Spannung und/oder einen gleichen Strom liefert. Ein derartiges Gleichgewicht oder Anpassen des Gate-Steuersignals ist noch ein weiterer Faktor, der bevorzugt ist, um die elektrische Symmetrie beim Vorrichtungsbetrieb zu bewahren. Man kann auch wollen, daß ein derartiger trimmbarer Widerstand in eine Packung oder ein Modul eingeschlossen wird, das eine einzige Vorrichtung enthält, um den Ausgang einer derartigen Packung oder eines derartigen Moduls so zuzuschneiden, daß er wie derjenige einer anderen Packung oder eines anderen Moduls ist.
Die Halbleiterschaltvorrichtungen, die für die Hochfrequenzmodule betrachtet werden, sind vorzugsweise und am wichtigsten Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT). IGBT sind zu signifikant höheren Stromdichten und Schaltgeschwindigkeiten in der Lage als Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET), die allgemein auch als MOSFET bezeichnet werden. IGBT sind die Vorrichtungen der ersten Wahl für Hochleistungsanwendungen gewesen. Jedoch sind sie früher infolge der Schwierigkeiten eines geeigneten Packens derselben nicht ausgiebig verwendet worden, insbesondere für Anwendungen mit großer Stückzahl. Ein ziemlich schwieriges Packungsproblem war die hohe Packungsinduktivität. Die bevorzugte Ausführungsform strebt an, dieses Problem sowie andere zu lösen, beispielsweise indem es leichter gemacht wird, mehrere IGBT zu verwenden, die in einem Modul, wie einem Schalter, parallel angeordnet sind. Dadurch können insbesondere Hochstrommodule leichter kommerziell produziert werden. Eine Hauptanwendung für die Schaltermodule ist es, in einem Dreiphaseninverter für ein Elektroauto verwendet zu werden.
Andererseits können auch MOSFET- oder IGFET-Module von derartigen Modulen profitieren. Nichtsdestoweniger wird sich der Einfachheit wegen die folgende Beschreibung auf IGBT-Module fokussieren.
Hinsichtlich der hierin betrachteten Module kann selbst ein Modul, das nur einen Halbleiterschalttransistorchip enthält, profitieren. Jedoch sind, wie es oben gezeigt ist, die bevorzugten Ausführungsformen insbesondere für ein Modul von Nutzen, das mehrere Schalttransistorchips enthält, die elektrisch parallel geschaltet sind. Derartige parallel angeordnete Chips können einzelne oder mehrere Schalter bilden. Ein einzelner Schalter ist in den Fig. 3 und 4 schematisch gezeigt und in den Fig. 6 bis 11 in kon zentrischer Form realistisch gezeigt. Jedoch sind die bevorzugten Ausführungsformen bei Mehrfachschaltermodulen noch mehr von Nutzen. Ein Hochpegelseiten/Niederpegelseiten-Doppelschalter (high side/low side double switch) ist in Verbindung mit den. Fig. 12-13 schematisch gezeigt. Eine geradlinige Version eines derartigen Hochpegelseite/Niedrigpegelseite-Doppelschalters ist in den Fig. 14-20 realistisch gezeigt.
Eine konzentrische Version eines Hochpegelseite/Niedrigpegelseite-Doppelschalters ist konstruiert worden und umfaßt einen segmentierten, dreiachsigen, konzentrischen Anschluß mit koplanaren Anschlußkontaktflächen für alle Vorrichtung beider Schalter. Es ist eine im voraus testbare Substratunterbaugruppe für jeden Schalttransistorchip vorgesehen. Jede Substratunterbaugruppe weist im allgemeinen parallele Eingangs- und Ausgangsleiterlaschen auf. Die Laschen weisen im allgemeinen koplanare Endabschnitte zur Verbindung mit im allgemeinen koplanaren Kontaktflächen des dreiachsigen Anschlusses auf. Die Eingangs- und Ausgangslaschen stehen jeweils in elektrischer Verbindung mit niedrigem Widerstand mit Eingangs- und Ausgangsflächen eines Schalttransistorchips, der auf der Substratunterbaugruppe befestigt ist. Ein Fünf Schicht-Substrat aus abwechselnden Kupfer- und dielektrischen Schichten gestattet die Ausformung der koplanaren Eingangs- und Ausgangslaschen auf der resultierenden Substratunterbaugruppe. Die individuellen Substratunterbaugruppen sind in Umfangsrichtung um den dreiachsigen Anschluß herum angeordnet, analog zu der hierin vollständiger beschriebenen konzentrischen Einzelschalterausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die in Fig. 1 gezeigte Substratunterbaugruppe 10 umfaßt eine Berylliumoxidplatte oder -wafer 12 mit 21 Millimetern mal 14,5 Millimetern und ungefähr 1 Millimeter Dicke. Berylliumoxid ist ein besonders effektives dielektrisches Material zur Verwendung bei dieser Anwendung. Es weist einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten auf, jedoch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen von Silizium ähnlich ist. Im allgemeinen passen die thermischen Ausdehnungseigenschaften von Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid auch zu Silizium. Jedoch weist Berylliumoxid einen beträchtlich höheren Wärmeübertragungskoeffizienten auf. In solch einem Fall kann der Wafer 12 entsprechend dicker hergestellt werden, was wiederum die parasitäre Kapazität zwischen der oberen Oberfläche und den unteren Oberflächen des Wafers 12 verringert, die metallisiert sind, wie es nachstehend beschrieben ist. Wir beschreiben nachstehend den metallisierten Wafer auch so, daß er an die Oberfläche einer elektrisch leitenden Grundplatte eines Gehäuses gelötet ist. Ungeachtet der Größe des Gehäuses oder der Anzahl Schalttransistoren, die in dem Gehäuse angeordnet sind, ist der Wafer 12 nur groß genug, um einen Schalttransistor und die notwendige zugehörige Schaltung, wie für die thermische Zielverfolgung oder andere Symmetriezwecke, zu tragen. Dies verringert die Fläche der metallisierten Oberflächen und verringert ferner parasitäre Kapazität.
Eine obere Kupferfolienplatte 14 und eine untere Kupferfolienplatte 16 sind auf entgegengesetzten Seiten des Wafers 12 angeordnet. Die Kupferfolienplatten 14 und 16 messen jeweils ungefähr 20 Millimeter mal 13,5 Millimeter und sind ungefähr 0,25 Millimeter dick. Sie sind an den entgegengesetzten Hauptoberflächen des Berylliumoxid-Wafers 12 durch irgendeine annehmbare Technik, wie beispielsweise direktes Kupferbonden (direct copper bonding) befestigt. Direktes Kupferbonden ist eine bekannte und akzeptierte Praxis, bei der Kupferoxid verwendet wird, um ein Kupferblech an ein keramisches Substrat zu bonden. Die obere Kupferplatte 14 weist eine integrale, im allgemeinen rechtwinklige Erweiterung 14a auf, die ungefähr 14 Millimeter breit und ungefähr 13,3 Millimeter lang ist. Somit steht sie über den Wafer 12 um ungefähr 12,8 Millimeter über. Auf den freiliegenden Abschnitten der Kupferfolie auf der Oberseite des Wafers, das heißt mit Ausnahme der Lasche 14a, befindet sich eine 6,35 - 10,2 Mikrometer dicke Silberbeschichtung, um die Lötbarkeit zu steigern.
Die Erweiterung 11-a weist eine erste Reihe Löcher 16a und eine zweite Reihe Löcher 16b auf, die wechselseitig im wesentlichen parallel und auch im wesentlichen parallel zu der benachbarten Kante des Wafers 12 liegen. Die Löcher 16a und 16b weisen einen Durchmesser von ungefähr 0,9 Millimetern auf und sind auf ungefähr 2 Millimeter Zentren in jeder Reihe beabstandet. Die Mittellinie der Reihe der 16a-Löcher liegt parallel zur Kante des Wafers und ist ungefähr 2,24 Millimeter von der Kante des Wafers beabstandet. Die Mittellinie der Reihe der 16a-Löcher liegt parallel zur Mittellinie der Reihe der Löcher 16b. Die Mittellinien von beiden Reihen Löcher 16a und 16b sind ungefähr 2,36 Millimeter voneinander beabstandet. Die Reihe Löcher 16a bildet eine erste Linie 17a einer Zugentlastung in der Lasche I4a. Die Linie 17a bildet dadurch eine erste Biegehilfslinie in der Lasche 14a. Die Reihe Löcher 16b bildet eine zweite Linie 17b einer Zugentlastung in der Lasche 14a. Die Linie 17b bildet daher eine zweite Biegehilfslinie in der Lasche 14a. Wie es in Fig. 1 zu sehen ist, weist die Lasche 14a zwei entgegengesetzte rechtwinklige Biegungen entlang der Biegelinien 17a und 17b auf, die eine Stufe in der Lasche 14a bilden. Die se Stufe vereinfacht die Verbindung der Substratunterbaugruppe mit dem mittleren Anschlußelement, wie es unten deutlicher werden wird.
Ein Siliziumhalbleiterschalttransistor 18, wie ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (MOSFET) ist auf der freiliegenden Hauptoberfläche der oberen Kupferplatte 14 angeordnet. Eine weiche, schnelle Siliziumhalbleiterdiode (SFD) 20 ist auch auf der freiliegenden Hauptoberfläche der oberen Kupferplatte 14 neben dem Schalttransistor 18 angeordnet. Eine derartige Vorrichtung gilt nicht als Vorrichtung mit isoliertem Gate oder als ein mit hoher Leistung beaufschlagter Halbleiterschalttransistor. Es ist auch eine kleine Platte 22 auf der Kupferplatte 14 angeordnet. Die kleine Platte 22 ist vorhanden, um ein Bonden eines Aluminiumfadendrahtes an die Kupferplatte 14 zu vereinfachen. Wenn der Fadendraht, der gebondet wird, aus Aluminium besteht, ist es bevorzugt, daß die kleine Metallplatte 22 eine Aluminiumaußenoberfläche aufweist. Die kleine Metallplatte 22 kann aus einem Aluminium/Kupfer-Schichtaufbau bestehen, dessen Kupferseite mit der Fläche nach unten auf die äußere Oberfläche der Kupferplatte 14 gelötet · ist. Andererseits ist zu erkennen, daß die kleine Metallplatte 22 aus irgendeinem Material bestehen könnte, das metallurgisch mit dem verwendeten Fadenverbindungsdraht verträglich ist. Ähnlich könnte die untere Oberfläche der kleinen Metallplatte 22 aus irgendeinem Material bestehen, das mit dem Prozeß verträglich ist, der verwendet wird, um die Platte 22 an die obere Kupferplatte 14 zu bonden. Die Fadenbondingdrähte sind in den Fig. 8 und 9 gezeigt.
Fig. 2 ist ein elektrisches, schematisches Schaubild der in Fig. 1 veranschaulichten Unterbaugruppe. Der Diodenchip 20 bildet eine Sperrdiode über die Emitter-Kollektor-Anschlüsse des Schalttransistors 18 hinweg.
Sie wird verwendet, um den Schalttransistor 18 zu schützen, indem Strom aus zeitweilig umgekehrten Spannungen, die in dem System auftreten können, in dem der Schalter verwendet wird, überbrückt wird. Wie es aus den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, ist jeder Schalttransistor 18 mit einer Nebenschlußdiode 20 zu einem Paar angeordnet. Der Transistorchip 18 und der Diodenchip 20 sind vorzugsweise aus im wesentlichen ähnlichem Halbleitermaterial und durch im wesentlichen ähnliche Prozesse hergestellt, so daß sie im wesentlichen ähnliche Leistungseigenschaften aufweisen können, die eine Änderung der Anfangseigenschaften mit einer Temperaturänderung umfassen. Jede Nebenschlußdiode 20 ist in enger thermischer Nähe zu seinem Schalttransistor 18 angeordnet, so daß das Paar eine ähnliche Temperaturumgebung erfahren würde. Dies hilft bei dem Vorsehen einer besseren Übereinstimmung der Arbeitsweise des resultierenden Schalters.
Wie es oben gezeigt ist, würden normalerweise mehrere Paare derartiger Schalttransistoren 18 und Nebenschlußdioden 20 für Hochleistungsschalter parallel verwendet werden. In Fig. 3 sind sechs derartige Paare elektrisch parallel geschaltet, um ein Einzelschaltermodul zu bilden. Jede Gate-Leitung für jeden Schalttransistor 18a - 18f weist einen trimmbaren Widerstand 32a - 32f in Reihe mit diesem auf. Der trimmbare Widerstand ist auch als Bezugszeichen 32 in Fig. 5 gezeigt. Seine Bedeutung wird nachstehend erläutert.
Das schematische Schaubild von Fig. 3 zeigt vorstellungsgemäß, wie die sechs Schalttransistoren und ihre zugehörigen Dioden elektrisch parallel geschaltet sind. Um einen derartigen parallelen Schaltkreis herzustellen, sollten auch nur Schalttransistoren mit ziemlich ähnlichen elektrischen Leistungseigenschaften verwendet werden. In einem derartigen Fall wird kein Schalttransistor dazu neigen, Strom "an sich zu ziehen", um ein Lawinenversagen des Transistors und dann des Moduls hervorzurufen. Ähnlich muß acht gegeben werden, daß alle parallel angeordneten Transistoren auf die gleiche Weise befestigt sind, so daß es wahrscheinlicher ist, daß sie die gleiche Betriebstemperatur aufweisen.
Es ist nicht notwendig, daß alle Transistoren in einem Mehrfachschalttransistormodul auf einem gemeinsamen keramischen Substrat befestigt sind, weil die Fläche und die Komplexität des Substrats übermäßig groß werden würden. Es kann sein, daß ein Maskieren des Substrats für eine selektive Metallisierung erforderlich ist. Die große Fläche würde dazu neigen, parasitäre Kapazität zwischen der oberen metallisierten Oberfläche des keramischen Substrats und einer leitfähigen Rückplatte zu vergrößern, auf der es angeordnet sein wird. Die große Fläche kann auch die Verwendung von Berylliumoxid ausschließen, obwohl sein höherer Wärmeübertragungsnennwert einen höheren Stromnennwert gestatten und/- oder eine geringere parasitäre Kapazität in dem resultierenden Modul erzeugen würde. Eine vergrößerte Komplexität, die dem großen Substrat eigen wäre, verringert die Ausbeuten des großen Substrats und erhöht dadurch dessen Kosten.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist jeder Schalttransistor auf seinem eigenen keramischen Substrat angeordnet. Wie es oben gezeigt ist, wird dies verwendet, um die individuelle und die gesamte Größe des Substrats zu minimieren. Jedoch schafft dies einen anderen Vorteil. Wenn die Substrate relativ klein sind, können im wesentlichen die gesamten Substratoberflächen ohne merkbar zunehmende parasitäre Kapazität metallisiert werden. Dies beseitigt ein Maskieren zur Metallisierung. Ein Beseitigen des Maskierens verringert die Kosten weiter. Die Ausbeuten der Tran sistorgruppen werden zunehmen, weil mangelhafte Transistor/Substrat- Kombinationen oder -Unterbaugruppen weggeworfen werden können, bevor die Gruppen gebildet werden. Zusätzlich ist das Befestigen eines kleineren Substrats auf der Gehäusebodenplatte leichter und einfacher fixierbar, wenn die anfängliche Befestigung nicht zufriedenstellend ist. Dadurch können die Ausbeuten noch weiter gesteigert werden, was zu Produkten mit niedrigeren Kosten und indirekt zu überlegenen Produkten führt.
Eine Folgeerscheinung des Vorangehenden ist es, daß derartige Kostenverringerungen den Gebrauch von Berylliumoxid bei der Verwendung mit großer Stückzahl noch leichter durchführbar macht. Daher wird die begleitende Zunahme der Modulleistung für kommerzielle Produktionsanwendungen und verbesserte Produkte, die für die Allgemeinheit verfügbar sind, noch zweckmäßiger.
Zusätzlich liefert die Verwendung individueller Substrate für jeden Schalttransistor außerdem einen weiteren Vorteil, der zum Teil oben genannt wurde. Jedes Substrat kann individuell getestet, eingeteilt und sortiert werden, nachdem es hergestellt worden ist. Nicht zufriedenstellende Chip/Substrat-Kombinationen können weggeworfen werden, bevor diesen noch mehr Wert hinzugefügt wird, der die Kosten beeinflußt. Ein Einteilen der Transistoren vor dem Gruppieren kann sehr wichtig sein. Jedoch können nicht befestigte Transistorchips nicht so gründlich wie befestigte Transistorchips getestet werden. Dementsprechend können die befestigten Chips, die Substratanordnungen 10 bilden, besser eingeteilt und somit besser angepaßt werden. Von einem Standpunkt der Modulleistungsfähigkeit aus kann dies sehr wichtig sein. Mit einer besseren anfänglichen Anpassung ist das Bauteil mit der schlechtesten Leistung in jeder Gruppe dennoch nahe bei dem besten. Selbst wenn die Gruppe bei dem Leistungsniveau des Bauteils mit der schlechtesten Leistung betrieben werden muß, um ein "An-Sich-Ziehen" von Strom zu verhindern, kann dementsprechend die Gruppe näher bei dem Leistungsniveau des besten betrieben werden. Es folgt, daß Gruppen mit vergrößerter Leistungsfähigkeit verwirklicht werden können, und/oder daß die durchschnittliche Leistungsniveauausnutzung aller Transistoren, die in Gruppen verwendet werden, vergrößert werden kann.
Es ist zu erkennen, daß es Unterschiede in der Länge und eine begleitende Varianz im Spannungsabfall in der Gate-Leitung 30g zu den jeweiligen Schalttransistoren 18a - 18f in einem Modul gibt. Mit den beschriebenen Ausführungsformen können selbst geringfügige Differenzen in einem derartigen Spannungsabfall vermieden werden. Es wird vorgeschlagen, einen trimmbaren Widerstand 32a - 32f in der Gate-Leitung zwischen 30g und jedem jeweiligen Schalttransistor 18a - 18f einzuschließen. Jeder der trimmbaren Gate-Leitungswiderstände gestattet, daß die Gate-Spannung, die jedem Transistor zugeführt wird, gleich ist. Dadurch ist es wahrscheinlicher, daß die "Ein"-Widerstandseigenschaften jedes Schalttransistors in der Gruppe, die das resultierende Modul umfaßt; ähnlich sind. Dies hilft, nach der Befestigung die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Schalttransistoren noch passender zu gestalten. Der trimmbare Widerstand kann auch verwendet werden, um das Betriebsniveau der befestigten und zusammengebauten Gruppe auf das Niveau eines Schalttransistors einzustellen, was zu einer geringeren Leistungsfähigkeitseigenschaft führt, als diejenige, die sie gemäß eines vorausgehenden Testens zeigen sollte. Dadurch wird das Potential für ein "An-Sich-Ziehen" von Strom in der Gruppe noch weiter verringert. Ein derartiger Widerstand kann auch verwendet werden, um die in einem Inverter paarweise angeordneten Schalter anzu passen, insbesondere wenn nur ein oder zwei Transistoren für jeden Schalter verwendet werden. Dies ist einer der Gründe dafür, daß der Widerstand 32 in dem Schalter 42 in Fig. 5 gezeigt ist. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Oberfläche des Schalttransistors 18 in mehrere Aluminiumelektroden- oder Kontaktflächen, d. h. Drahtbondingflächen, unterteilt, um den Emitter-Reihenwiderstand zu verringern. In diesem Beispiel gibt es acht derartige Flächen 24. Sie umgeben eine kleinere, rechtwinklige Gate-Elektrode oder -kontaktfläche aus einer Aluminiumlegierung 26. In diesem Beispiel ist der Chip 18 ein IGBT. Die Rückseite des Chips 18 bildet eine Kollektor-Bereich für den Schalttransistor 18, welcher Bereich, wie durch Löten oder dergleichen, in einer elektrischen Verbindung mit niedrigem Widerstand mit der Kupferplatte 14 steht. Die größeren rechtwinkligen Bereiche 24 auf der oberen Oberfläche des Chips 18 bilden im allgemeinen gleichmäßig beabstandete Emitter-Kontakte auf der IGBT- Oberfläche. Wie es oben gezeigt ist, umgeben die Emitter-Kontakte 24 den zentralen Gate-Elektrodenkontaktbereich 26. Ein einziger Fadendraht ist für den Gate-Leitungskontakt ausreichend, weil die Gate-Leitung nicht viel Strom transportiert.
Der Emitter-Bereich des Diodenchips 20 ist dessen gesamte obere Oberfläche, die metallisiert ist, so daß sie darauf eine Elektrode 28 aus einer Aluminiumlegierung aufweist, die zum Drahtbonden geeignet ist. Die untere Oberfläche des Diodenchips 20 ist an die obere Oberfläche der Kupferplatte 14 gelötet. Dadurch sind die Kathode des Chips 20 und der Kollektor des Schalttransistors 18 elektrisch parallel geschaltet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
In Fig. 3 ist zu sehen, daß der normale vorstellungsgemäße Weg, einen derartigen Schaltkreis zu präsentieren ist, die Emitter-Leitung von einer Vorrichtung neben der Kollektor-Leitung einer anderen anzuordnen, was in diesem Fall nicht vorgenommen wird. Es ist auch zu bemerken, daß, wenn man einen derartigen Schaltkreis vorstellungsgemäß betrachtet, die Transistoren zum Zweck der Veranschaulichung alle in einer Reihe ausgerichtet sind, selbst wenn man eventuell diese mit einem koaxialen Bus verbinden will. Dies läßt vermuten, daß man diese tatsächlich wegen der Einfachheit auf diese Art und Weise befestigt. Jedoch führt das Befestigen und Verbinden derselben, wie es vorstellungsgemäß gezeigt ist, zu einem schlechteren Modul. Fig. 3 ist in diese Beschreibung nur eingeschlossen, um das komplexere Layout von Vorrichtungen und Widerständen leichter verständlich zu machen, die tatsächlich verwendet werden.
Fig. 4 ist der gleiche Schaltkreis von Fig. 3, wobei jedoch das tatsächliche Layout von Vorrichtungen, Widerständen und Leitern des koaxialen Anschlußmoduls der Fig. 6-11 gezeigt ist.
Fig. 3 zeigt IGBT-Schalttransistoren 18a - 18f, die jeweils mit weichen, schnellen Nebenschlußdioden 20a - 20f paarweise angeordnet sind. Die Schalttransistoren 18a - 18f weisen jeweils Gate-Leitungen 30a - 30f auf. Die Gate-Leitungen 30a - 30f weisen jeweils trimmbare elektrische Widerstände 32a - 32f auf. Wie es oben gezeigt ist, sind die trimmbaren elektrischen Widerstände 32a - 32f in jeder jeweiligen Gate-Leitung zwischen dem Gate-Leiter 30g und jedem der Schalttransistoren 18a - 18f eingeschlossen. Für einen IGBT-Leistungstransistor mit einer Chipgröße von ungefähr 9,8 Millimeter mal 9,8 Millimeter kann ein trimmbarer Widerstand mit einem gedruckten Nennwiderstand von ungefähr 4 Ohm (der auf ungefähr 7,5 Ohm trimmbar ist) verwendet werden. Gate-Leitungen 30a - 30f, die ihre jeweiligen Reihenwiderstände 32a - 32f umfassen, sind elektrisch parallel zu dem Gate-Leiter oder der Gate-Leitung 32g geschaltet. Der Gate-Leiter 32g führt zu einem Gate-Anschluß G, 30.
Die Transistoren 18a - 18f weisen jeweils Kollektor-Leitungen 34a - 34f auf. Die Transistoren 18a - 18f weisen jeweils Emitter-Leitungen 36a - 36f auf. Die Kollektor-Leitungen 34a - 34f sind jeweils mit einer gemeinsamen Leitung 34g verbunden, die alle Kollektor-Leitungen 34a - 34f elektrisch parallel schaltet. Ähnlich sind Emitter-Leitungen 36a - 36f jeweils mit einer gemeinsamen Leitung 36g verbunden, die alle Emitter-Leitungen 36a - 36f elektrisch parallel schaltet. Die Kollektor-Leitung 34g ist eine Verbindung mit niedrigem Widerstand mit dem Mittelanschluß 34. Die Emitter- Leitung 36g steht in der elektrischen Verbindung mit niedrigem Widerstand mit dem koaxialen Emitter-Anschluß 36.
Zu jedem der Transistoren 18a - 18f sind zwei zusätzliche Leitungen gezeigt. Diese sind Leitungen, die verwendet werden, um das Potential der Kollektor- und Emitter-Leitungen zu bestimmen und somit ihre Betriebseigenschaften während des Betriebes des Moduls kontinuierlich zu überwachen. Es ist bevorzugt, hauptsächlich Abweichungen von vorbestimmten Werten zu überwachen. Wir nennen diese Verbindungen "Kelvin"-Verbindungen. Kollektor-Kelvin-Leitungen 34ak - 34fk sind jeweils mit den Kollektoren der Transistoren 18a - 18f verbunden. Ähnlich sind Emitter- Kelvin-Leitungen 36ak - 36fk mit den Emitter-Leitungen der Transistoren 18a - 18f verbunden. Die Leitung 34gk verbindet die Kollektor-Kelvin-Leitungen 34ak - 34fk miteinander in einer elektrisch parallelen Anordnung und setzt jede von diesen in Kontakt mit niedrigem Widerstand mit dem Kollektor-Kelvin-Anschluß 36k. Ähnlich schaltet eine Emitter-Kelvin-Leitung 36gk alle Emitter-Kelvin-Leitungen 36ak - 36fk elektrisch parallel und setzt sie in elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand mit dem Emitter-Kelvin-Anschluß 34k.
In Fig. 4 umfassen die konzentrischen Anschlüsse 34 und 36 jeweils Ausgangs- und Eingangsanschlußpfosten für das Modul. Die in Fig. 3 gezeigten sechs Transistor/Diode-Paare sind in Umfangsrichtung symmetrisch um die Mittelanschlüsse herum angeordnet. Die Anordnung ist so gleichmäßig wie es die Struktur zu gestatten herausstellt. Dies führt dazu, daß die Elektroleitungen 34a - 34f im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. Entsprechende Abschnitte der Emitter-Leitungen 36a - 36f weisen ebenso im wesentlichen die gleiche Länge auf. Die Gate-Leitungen 30a - 30f einschließlich ihrer trimmbaren Widerstände 32a - 32f weisen alle ungefähr die gleiche Länge auf. Man kann sich vorstellen, daß die Transistoren 18a - 18f, die Kollektor-Leitungen 34a - 34f und die Emitter-Leitungen 36a - 36f radial um die koaxialen Mittelanschlüsse herum angeordnet sind. Man kann sich vorstellen, daß die Gate-Leitungen 30a - 30f auch radial angeordnet sind.
Die konzentrische Gate-Leitung 30g, die konzentrische Emitter-Kelvin-Leitung 36gk und die konzentrische Kollektor-Kelvin-Leitung 34gk umgeben den Kreis aus Transistor/Diode-Paaren. Diese Leitungen sind jeweils mit dem Modul-Gate-Anschluß 30, dem Kollektor-Kelvin-Anschluß 34k und dem Modul-Emitter-Kelvin-Anschluß 36k verbunden. Die Gate-Leitungen 30a - 30f sind symmetrisch und sind jeweils mit der konzentrischen Gate- Leitung 30g verbunden. Die Kollektor-Kelvin-Leitungen 34ak - 34fk sind jeweils mit der konzentrischen Kollektor-Kelvin-Leitung 34gk verbunden. Die Emitter-Leitungen weisen nur zwei Kelvin-Leitungen 36ck und 36dk auf. Sie sind mit der konzentrischen Emitter-Kelvin-Leitung 36gk an der Unterseite von Fig. 4 verbunden.
Fig. 5 zeigt ein elektrisches Schema eines Dreiphaseninverterschaltkreises, der Gleichstrom (DC) von einer Batterie 38 in Wechselstrom (AC) zur Verwendung durch einen Wechselstrommotor 40 umwandelt. Wie es zu sehen ist, ist jede der drei Motorwicklungen 40a, 40b und 40c zwischen zwei Schalttransistoren oder ein Paar aus zwei Gruppen elektrisch parallel angeordneter Schalttransistoren geschaltet. Jeder Transistor oder jede Gruppe derartiger Transistoren, die einen einzelnen Schalter bildet, ist durch Bezugszeichen 42 gezeigt. Jeder derartige Schalter 42 kann somit das Modul sein, das in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, oder noch bedeutender, ein Modul, das hergestellt ist, wie es nachstehend spezifiziert ist. Zur Klarheit der Veranschaulichung ist nur ein Transistor/Diode-Paar und sein zugehöriger Anschlußwiderstand in Fig. 5 in der vergrößerten Fläche gezeigt. Wie es oben gezeigt ist, können die IGBT, wenn sie für derartige Schalter verwendet werden, nicht zufriedenstellend verwendet werden, wenn sie nur einmal für jeden Zyklus, den sie abdecken sollen, ein- und ausgeschaltet werden. Diese Vorrichtungen schalten hart "ein", was eine Rechteckwelle und keine Sinuswelle erzeugt. Um einen geeignet gestalteten Sinuswellenausgang zu erhalten, werden die IGBT sehr schnell viele Male während jedes Sinuswellenzyklus "ein"- und "aus-" geschaltet, wobei eine zunehmende und dann abnehmende Gate-Spannung und Pulsbreitenmodulation verwendet werden. Einschalt/Ausschalt-Frequenzen von 20 000-30 000 Hz sind für Traktionsmotoranwendungen in Kraftfahrzeugen nicht unüblich. Wie es zuvor gezeigt wurde, ist die parasitäre Kapazität, die zu einem derartigen schnellen Schalten gehört, so bedeutend, daß sie bisher verhindert hat, daß Hochleistungs-IGBT ausgiebig angewendet wurden. Das beschriebene Modul verringert derartige parasitäre Kapazität auf ein niedriges Niveau und die Verläßlichkeit und Leistungsfähigkeit auf ein hohes Niveau.
Die Fig. 6-11 zeigen das tatsächliche Modul, das in den Fig. 3-4 schematisch veranschaulicht ist und in Fig. 5 indirekt betrachtet wird. Das Modul umfaßt eine Grundplatte 44, auf der ein ringähnliches Gehäuseelement 46 und ein Deckelelement 71 angeordnet sind. Diese drei Elemente bilden eine im wesentlichen geschlossene Kammer.
Die Grundplatte 44 ist eine rechtwinklige Platte mit ungefähr 2-4 Millimetern Dicke, 108 Millimetern Breite und 124 Millimetern Länge. Sie besteht vorzugsweise aus einem thermisch hoch leitfähigen Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich demjenigen von Silizium annähert. Man könnte denken, daß Metall wegen seiner hohen thermischen Leitfähigkeit als eine Grundplatte 44 bevorzugt wäre. Jedoch weisen die meisten Metalle mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten auf. Silizium weist einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf. Große Differenzen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind unzulässig.
Die bekannten Metalle, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Nähe von Silizium aufweisen, wie Fernico, Kovar, Invar und dergleichen, weisen auch eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit auf. Dementsprechend ist es bevorzugt, laminierte oder andere Typen von Verbundmaterialien für die Grundplatte 44 zu verwenden. Sie sind für diese Anwendung erwünschter, weil sie so konstruiert sind, daß sie eine gute thermische Ausdehnung, die zu Silizium paßt, und relativ hohe Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Die attraktivsten von derartigen Verbundstoffen für die beschriebene Anwendung sind Metall/Keramik- Verbundstoffe. Weil sie Metall umfassen, sind sie im allgemeinen elektrisch leitfähig, wovon angenommen wird, daß es ein großer Vorteil ist. Ei ne derartige Verbundstoffgrundplatte bietet signifikante Vorteile, obwohl die Siliziumchips auf diskreten keramischen Substraten angeordnet sind, wie es nachstehend beschrieben ist. Daher wird Metall nicht für die Grundplatte 44 empfohlen, obwohl eine effektive Kühlung wichtig ist, wie es zuvor erwähnt wurde. Andererseits ist herausgefunden worden, daß ein Metall/ Keramik-Verbundstoff ziemlich effektiv bei der beschriebenen Anwendung verwendet werden kann. Er kann nicht nur so hergestellt werden, daß er eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, sondern dieser kann auch eine relativ niedrige Ausdehnungsrate aufweisen. Es ist bevorzugt, ein Verbundmaterial zu verwenden, das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der ziemlich nahe bei demjenigen von Silizium liegt. Jedoch sollte genauer die Verbundgrundplatte 44 vorzugsweise eng zum Ausdehnungskoeffizienten der Substratunterbaugruppe aus Verbundkeramik passen, auf welcher der Siliziumchip direkt getragen ist. Die Substratunterbaugruppe sollte vorzugsweise Silizium ziemlich ähnlich sein, jedoch ist zu erkennen, daß dies kein exaktes, genaues Passen sein kann. Wenn der Ausdehnungskoeffizient der Substratunterbaugruppe nicht exakt zu demjenigen von Silizium paßt, ist es bevorzugt, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Grundplatte 44 zu demjenigen der Substratunterbaugruppe und nicht zu dem Silizium paßt. Die Substratunterbaugruppe wird nachstehend vollständiger beschrieben. Wie es gezeigt ist, bevorzugen wir, daß das Substrat elektrisch leitfähig und lötbar ist. Es sind viele Metall/Verbundstoffe kommerziell und experimentell erhältlich. Wenn sie nicht inhärent lötbar sind, sollten sie behandelt werden, um sie mindestens in den Flächen, an denen die Substratunterbaugruppen zu befestigen sind, lötbar zu gestalten.
Wenn eine Substratunterbaugruppe, wie die Substratunterbaugruppe 10, an einen größeren leitfähigen Träger gelötet wird, wird die wirksame Flä che der unteren Kupferplatte 16 des Substrats vergrößert. Dies vergrößert parasitäre Kapazität. Wenn der größere leitfähige Träger direkt auf einem Aluminiumwärmesenkenelement mit noch größerer Fläche getragen ist, nimmt außerdem parasitäre Kapazität noch mehr zu. Die Verwendung dielektrischer Materialien, um diese Gegenstände voneinander zu beabstanden, ist gewöhnlich nicht erwünscht, weil dies gewöhnlich die Wärmeübertragung verringert. Daher wird gewöhnlich eine vergrößerte dielektrische Dicke nicht als wünschenswert betrachtet.
Wir haben einen Metall/Keramik-Verbundstoff gefunden, der besonders wirksam ist, wenn er als Grundplatte 44 verwendet wird. Er wird unter der Bezeichnung MCX-693 von der Lanxide Corporation of Newark DE verkauft. Er weist einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5-12 ppm pro Grad Centigrad auf. Wir bevorzugen 6 ppm pro Grad Centigrad, der beinahe der gleiche ist wie derjenige der Cu/BeO/Cu-Schichtanordnung, die in der Substratunterbaugruppe 10 verwendet wird. Dieser liegt nahe bei demjenigen von Silizium, der ungefähr 3,2 ppm pro Grad Centigrad beträgt. Das MCX-693-Material ist im wesentlichen eine Kombination aus Metall und Keramik, bei der das Metall seine Identität ausreichend beibehält, um eine hohe thermische Leitfähigkeit zu schaffen. Die Keramik behält ihre Identität ausreichend bei, um die thermische Ausdehnung jedoch nicht die thermische Leitfähigkeit zu verringern. Wir haben herausgefunden, daß das MCX-693-Verbundmaterial zusätzlich eine ziemlich gute mechanische Festigkeit aufweist. Dadurch kann es als die Grundplatte selbst und nicht als ein Träger für diese dienen, was zusätzliche Wärmeübertragungsgrenzflächen beseitigt. Es bildet eine stabile Modulanordnung. Ferner kann es beschichtet oder plattiert werden, um seine Oberfläche lötbar zu machen.
Außerdem weist das MCX-693-Material eine ausreichende Festigkeit auf, um zu gestatten, daß es als ein Hohlkörper hergestellt wird. Dies gestattet, daß die Grundplatte 44 selbst auch als ein Kühlelement funktioniert. In einem derartigen Fall muß die Grundplatte 44 zum Kühlen nicht auf einer Wärmesenke, wie die Wärmesenke 62, befestigt werden. Sie muß nur auf einem mechanischen Träger befestigt werden, der analog zu demjenigen ist, der zum Tragen der Wärmesenke verwendet werden könnte. Dies beseitigt nicht nur Kosten aufgrund eines zusätzlichen Elements in dem resultierenden System, sondern beseitigt auch eine Wärmeübertragungsgrenzfläche. Ein Beseitigen einer Wärmeübertragungsgrenzfläche und der ihr eigenen Verluste verbessert die Kühlung. Eine verbesserte Kühlung wiederum gestattet, daß die Schalttransistoren bei höheren Leistungsniveaus betrieben werden können.
Auf der Grundplatte oder Rückplatte 44 sind mehrere Substratunterbaugruppen 10 angeordnet. Sie sind symmetrisch um den mittleren koaxialen Kollektor-Anschluß 34 und Emitter-Anschluß 36 herum angeordnet und an die Grundplatte 44 gelötet. Auf der Grundplatte 44, die Substratunterbaugruppen 10 umgebend, ist auch ein ringähnliches Schaltkreisplatinenelement 50 angeordnet. Das ringähnliche Schaltkreisplatinenelement 50 ist haftend an die Rückplatte 44 gebondet und trägt den Gate-Leiter 30g, den Kollektor-Kelvin-Leiter 34gk, den Emitter-Kelvin-Leiter 36gk und die trimmbaren Cermet-Widerstand-Chips 32a - 32f. Über Ultraschall gebondete Fadendrähte bilden die elektrischen Verbindungen zwischen den vorstehenden Leitern und Anschlüssen und den Transistoren und Dioden auf den Substratanordnungen 10. Sie sind in den Fig. 8 und 9 gezeigt.
Es ist anzumerken, daß das ringähnliche Schaltkreisplatinenelement 50 aus dem typischen FR-1 Epoxy/ Glas-Schaltkreisplatinenmaterial beste hen kann, das eine Kupferschicht trägt, die zu einem Leitermuster ausgebildet ist. Jedoch kann es auch ein emailliertes Stahlsubstrat sein, auf das ein Dickfilm-Cermet-Leitermuster gedruckt ist. Sechs Chipwiderstände aus Aluminiumoxid 32a - 32f, die vorstehend erwähnt wurden, sind auf der ringähnlichen Schaltkreisplatine 50 angeordnet und an diese haftend gebondet oder gelötet. Jeder trimmbare Widerstand-Chip ist in einer gegebenen vorbestimmten Entfernung von der Transistorgateelektrode weg angeordnet, mit der er verbunden werden soll. Dadurch weist jede Gate-Leitung zwischen jedem Transistor und seinem zugehörigen Chipwiderstand die gleiche Länge auf. Jeder Aluminiumoxid-Chip weist einen Cermet- Dickfilm-Widerstandsblock auf, der auf seine Oberseite gedruckt ist, und eine Dickfilm-Cermet-Leiterbeschichtung, die jedes Ende umhüllt und den gedruckten Widerstandsblock überlappt. Wenn die Umhüllungsendbeschichtung lötbar ist, kann sie direkt an den Leiter 30g auf der Schaltkreisplatine 50 gelötet werden. Wenn sie nicht lötbar ist, kann dann die Verbindung mit 30g durch Drahtbonden hergestellt werden, nachdem der trimmbare Widerstands-Chip haftend an die Schaltplatine 50 gebondet worden ist. In jedem Fall wird der trimmbare Widerstands-Chip mit seiner Rückseite nach unten an der Schaltplatine 50 befestigt, was die mit einem Widerstand beschichtete Oberseitenfläche zur Lasertrimmung zugänglich läßt. Wenn die Schaltkreisplatine 50 aus emailliertem Stahl bestünde, würden andererseits die Widerstand-Chips nicht notwendigerweise verwendet werden. Statt dessen wären die trimmbaren Widerstände 32a - 32f integral in der Schaltkreisplatine 50 eingeschlossen und integral mit dem Gate-Leiter 30g verbunden. Daher ist auch die gelötete oder Fadendrahtverbindung mit 30g zusammen mit diskreten Widerstand-Chips beseitigt. Nichtsdestoweniger wird die verbleibende Diskussion das Modul so beschreiben, als ob es diskrete, trimmbare Widerstand-Chips aufweist.
Ein Ende von jedem der trimmbaren Widerstände 32a - 32f ist mit der Gate-Elektrode 26 seines jeweiligen zugehörigen Schalttransistors verbunden. Dies wird mittels eines Fadendrahtes (der in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist) zwischen der Gate-Elektrode 26 und einer Drahtbondingkontaktanschlußfläche oder -elektrode auf dem trimmbaren Widerstand-Chip vorgenommen. Die trimmbaren Widerstände 32a - 32f sind auch derart angeordnet, daß sie zum Trimmen oder Nachtrimmen am Ende des Zusammenbaus jedoch bevor der Gehäusedeckel 48 aufgesetzt wird, zugänglich sind.
Es ist zu sehen, daß jede Lasche 14a der jeweiligen Substratunterbaugruppen 10 an einen Umfangsflansch an dem inneren koaxialen Anschluß 34 geschweißt ist. Dementsprechend bildet der innere koaxiale Anschluß 34 den Kollektor- oder Ausgangsanschluß des Moduls. Die Lasche 14a kann an den Umfangsflansch 34a an dem Anschluß 34 gelötet oder auf andere Weise in einer Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand verbunden werden. Wir bevorzugen es, den Anschluß 34a aus Kupfer und die Lasche 14a aus Kupfer herzustellen. Wir bevorzugen es, sie durch Elektronen- oder Laserschweißen zusammenzuschweißen statt sie zusammenzulöten.
Die Substratunterbaugruppen 10 müssen früh in dem Zusammenbauprozeß an der Grundplatte 44 angebracht werden, weil sie gelötet werden. Nachdem sie getestet worden sind, werden die untersten zentralen Teilen der koaxialen Anschlußanordnung durch Haftmittel an der Grundplatte befestigt. Der Lappen 14 wird an der Biegelinie 17b nach oben gebogen, um den Kollektor-Flansch 34a aufzunehmen. Wegen der Biegelinie 17b kann die Lasche 14 leicht und sicher nach oben gebogen werden, nachdem die Substratunterbaugruppe 10 an die Grundplatte 44 gelötet worden ist. Nachdem der Anschluß 34 an die Platine gebondet worden ist, wird die Lasche 14 an der Biegelinie 17b über den Anschlußflansch 34a gebogen. Wegen der Biegelinie 17b biegt sich die Lasche 14 leicht und sicher und endet etwas parallel zur oberen Oberfläche des Flansches 34a, an den sie gebondet wird. Es kann Nutzen aus dieser Vororientierung der Lasche 14 auf dem Flansch 34a gezogen werden, um die beiden zusammenzuklemmen, die Laschenkanten zu maskieren und die internen Abschnitte der Lasche 52 an den Flansch 34a elektronen- oder laserzuschweißen. Wenn das Elektronen- oder Laserschweißen nicht vorgenommen werden könnte, könnte ein Löten von Hand der Lasche 14 an den Flansch 34a erforderlich sein, was die Kosten signifikant erhöhen würde.
Nun sei auf die Fig. 8 und 9 verwiesen. Fig. 8 zeigt das Modul bei dem nächsten Herstellungsstadium, nach dem Herstellungsstadium, das in Fig. 7 veranschaulicht ist. Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht der fertiggestellten Vorrichtung. Eine im allgemeinen zylindrische dielektrische Hülse 54 umgibt den Anschluß 34. Die Hülse 54 weist einen in Umfangsrichtung nach außen gerichteten Flansch 54a auf, der über dem nach außen gerichteten Umfangsflansch 34a des Anschlusses 34 liegt. Der dielektrische Abstandshalter 54 kann aus irgendeinem geeigneten, elektrisch nicht leitenden Material, wie Kunststoff, bestehen. Auf dem dielektrischen Abstandshalter 54 ist der äußere koaxiale Anschluß 36 angeordnet, der auch einen nach außen gerichteten Umfangsflansch 36a aufweist, der über den anderen Umfangsflanschen 34a und 54a angeordnet ist.
Während der Anschluß 36 im wesentlichen zylindrisch ist, ist in den Fig. 6 und 8 zu sehen, daß der zentrale Teil des Anschlusses 36 zwei diametral entgegengesetzte Vergrößerungen 37 aufweist. Diese Vergrößerungen sind jeweils bei 37a gebohrt und mit einem Gewinde versehen, um die Verbin dung einer Sammelschiene mit dem Anschluß 36 zu vereinfachen. Das obere Ende des Anschlusses 34 ist zur Verbindung mit einem Kollektor- Bus axial gebohrt und mit einem Gewinde versehen. Das Vorsehen entgegengesetzter Busverbindungspunkte 37a an dem Anschluß 36 ergibt eine vergrößerte Gleichmäßigkeit des elektrischen Widerstandes zwischen dem Emitter-Bus und den Substratunterbaugruppen 10. Es ist anzumerken, daß hinsichtlich der entgegengesetzten Vergrößerungen 37a ein Kompromiß geschlossen wurde. Sie sind vorhanden, um die Stromgleichmäßigkeit zu vergrößern, jedoch beeinflußt ihre Anwesenheit den Drahtbondingkopf für die Fadenverbinderdrähte. Es ist beabsichtigt, daß alle Fadendrähte von entsprechenden Elementen, beispielsweise 36a - 36f, die gleiche Länge aufweisen.
Wie es in Fig. 8 zu sehen ist, müssen die Fadendrahtbondingdrähte, die am nächsten bei den Anschlußvergrößerungen 37 liegen, d. h. die Drähte 36a und 36d, geringfügig unterschiedlich zu dem Rest abgewinkelt sein. Dies würde sie geringfügig länger als den Rest machen. Jedoch kann dies in Einklang gebracht werden, indem ihre Länge in den anderen Drähten angepaßt wird. Es ist auch anzumerken, daß der sechseckige Umfang des Flansches 36a eine geradlinige Kante an dem Flansch 36a gegenüber jeder Substratunterbaugruppe 10 vorsieht. Dies gestattet, daß die Vielzahl von Drähten in jeder Gruppe von IGBT-Emitter-Drähten 36a - 36f näher bei der gleichen Länge liegen. Zusätzlich ist zu erkennen, daß jede Gruppe von Fadenverbindungsdrähten 36a - 36f im allgemeinen parallel zu der Lasche 14a liegt. Jedoch sind sie nur in einer Ebene parallel, sind etwas voneinander beabstandet und weisen eine unterschiedliche Ausgestaltung zu der Lasche 14a auf. Die Induktivitätsauslöschung zwischen diesen ist deshalb nicht optimal. Die geraden Kanten an dem Anschlußflansch 36a gestatten, daß die Durchschnittslänge der Verbindungsdrähte 36a - 36f kürzer ist. Deshalb ist die Länge der nicht ausgelöschten Induktivität kürzer, wodurch Modulverluste verringert und die Leistungsfähigkeit vergrößert wird.
Es ist zu erkennen, daß die Fadendrähte 28a die Emitter-Seite des SFD- Chips 20 mit dem Flansch 36a des Eingangsanschlusses 36 verbinden. Die Fadendrähte 36a - 36f verbinden jeweils Emitter-Flächen 24 der Transistoren 18a - 18f mit dem Flansch 36a des Eingangsanschlusses 36. Die Fadendrähte und Chipmetallisierungen sind vorzugsweise eine relativ dikke Aluminiumlegierung, die bewirkt, den Reihenwiderstand zu verringern.
Die Elektroden 26 auf den Chips 18a - 18f stehen jeweils mittels Fadendrähten 26a - 26f in einer elektrischen Verbindung mit niedrigem Widerstand mit den lasertrimmbaren Chipwiderständen 32a - 32f. Ein Ende jedes Fadendrahtes 26a - 26f ist an die Elektrode 26 gebondet. Das andere Ende ist an die Elektrode an einem Ende des lasertrimmbaren Chipwiderstandes gebondet. Die Elektrode an dem anderen Ende jedes Chipwiderstandes ist durch einen Fadendraht mit einer Bondinglasche verbunden, die ein Teil des Gate-Leitermusters 30g auf der gemusterten Schaltkreisplatine 50 ist.
Eine Emitter-Kelvin-Verbindung ist an dem Flansch 36a durch einen Fadendraht 36ak hergestellt, der sich von dem Flansch 36 zu einer Bondinganschlußfläche auf der Schaltkreisplatine 50 erstreckt, welche Bondinganschluffläche ein Teil eines Kollektor-Kelvin-Leiters 36gk auf der Schaltkreisplatine 50 ist.
Der Anschluß 36 und insbesondere die obere Oberfläche des Flansches 36a ist nickelplattiert, um die Bondung der Aluminiumfadendrähte daran zu steigern.
Die trimmbaren Chipwiderstände 32a - 32f können direkt an den Gate-Leiter 30g auf der Platine 50 gelötet sein, wie es früher erwähnt wurde. Wenn sie es nicht sind, muß das eine Ende eines Fadendrahtes an das eine Ende des Chipwiderstandes und das andere an den Gate-Leiter 30g gebondet werden. In einem derartigen Fall wird zuerst eine Drahtbondinganschlußfläche an die Schaltkreisplatine gelötet. Die Drahtbondinganschlußflächen auf der Platine 50 und die Chips 32a - 32f bestehen aus einem Material oder weisen mindestens eine Oberfläche auf, die mit einem Material beschichtet ist, das metallurgisch mit dem daran gebondeten Draht verträglich ist. Es kann eine Aluminiumoberfläche bevorzugt sein, wenn der Fadendraht aus Aluminium besteht.
Die Kollektor-Kelvin-Verbindung wird hergestellt, indem Fadendrähte 34ak - 34fk jeweils zwischen den Metallchip 22 auf jeder Substratunterbaugruppe 10 und eine benachbarte Bondinganschlußfläche gebondet werden, die ein Teil des Kelvin-Kollektor-Leiters 34gk auf der Schaltkreisplatine 50 ist. Die Fadendrähte 34ak - 34fk können aus Aluminium bestehen und über Ultraschall gebondet werden. Wie es zuvor gezeigt worden ist, sollte die Oberfläche der Bondinganschlußoberfläche auf dem Chip 22 aus Aluminium oder aus irgendeinem anderen Metall bestehen, das im allgemeinen mit dem Bondingdraht verträglich ist.
Der Flansch 34a an dem Anschluß 34 ist elektrisch von der Rückplatte 44 durch ein kreisförmiges, mit einem Flansch versehenes Element 56 isoliert, das einen Umfangsflansch 56a und einen zentralen, rohrförmigen Abschnitt 56b aufweist. Der Flansch 56 weist an seiner unteren Oberfläche einen Vorsprung 56c auf, der mit einer entsprechenden Ausnehmung in der oberen Oberfläche der Grundplatte 44 zusammenarbeitet. Dieser legt das Element 56 auf der Grundplatte 44 fest. Er ergibt auch eine zusätzliche mechanische Verriegelung zwischen diesen, um ein Verdrehen der koaxialen Anschlußanordnung zu verhindern, wenn die Sammelschienen an diese angebracht und an ihrer Stelle verschraubt werden. Das Element 56 ist haftend an die obere Oberfläche der Grundplatte 44 und an die untere Oberfläche des Flansches 34a des Anschlusses 34 gebondet. Der Flansch 56a weist in seinen oberen und unteren Oberflächen Ausnehmungen 56b auf. Die Ausnehmungen 56b führen eine gleichmäßigere Dicke des Haftmittels zwischen dem Element 56 und der darunterliegenden Grundplatte 44 und dem darüberliegenden Flansch 34a ein. Das Element 56 kann aus irgendeinem geeigneten dielektrischen Material bestehen, wie beispielsweise ein nicht leitender Kunststoff. Es kann aus dem gleichen Material wie der dielektrische Abstandshalter 54 bestehen. Es ist auch zu erwähnen, daß der Abstandshalter 54 haftend an die obere Oberfläche des Anschlusses 34 und seinen Flansch 34a und an die untere Oberfläche des äußeren Anschlusses 36 und seinen Flansch 36a gebondet ist. Eine Haftmittelausnehmung 54b ist in der oberen Oberfläche des Flansches 54a analog zu den Ausnehmungen 56b vorgesehen, die in den oberen und unteren Oberflächen des Flanschabschnittes 56a des unteren Abstandshalters 56 vorgesehen sind.
Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 34 und 36 und ihre zugehörigen Abstandshalter 54 und 56 sind als separate Elemente beschrieben und gezeigt worden. Sie müssen nicht alle separat sein. Es ist vorstellbar, daß die Anschlußelemente 34 und 36 als Einsatz in eine Metall/Kunststoff- Anschluß-Unterbaugruppe eingeformt sein könnten. Bei einer derartigen Unterbaugruppe wird Kunststoff um die Anschlüsse 34 und 36 herum geformt, wobei jedoch ihre kritischen Kontaktoberflächen freigelegt bleiben. Dadurch sind nur elektrische Kontaktteile von diesen freigelegt. Ihre anderen Teile sind in einer Matrix aus elektrisch nicht leitendem Kunststoff eingebettet, welcher die Funktionen der Abstandshalter 54 und 56 erfüllt. In einem derartigen Fall sollten die Verläßlichkeit und die Kosten erhöht sein, weil die resultierende Unterbaugruppe nur eine Oberfläche aufweist, die haftend gebondet werden muß. Diese eine Oberfläche ist der Boden der Anschlußunterbaugruppe, der haftend an die Grundplatte 44 gebondet wäre.
Die gesamte soweit beschriebene Unterbaugruppe ist von einem elektrisch nicht leitenden Kunststoffgehäuseelement 72 umgeben, das einen eingebetteten Gate-Anschluß 30, einen eingebetteten Kelvin-Kollektor-Anschluß 34k und einen eingebetteten Emitter-Kelvin-Anschluß 36k aufweist. Diese Anschlüsse sind eingebettet, weil es bevorzugt ist, diese in das Gehäuseelement 72 einzuformen. In einem derartigen Fall ist jeder der Anschlüsse 30, 34k und 36k während des Formens ein Teil eines einzigen Leitungsrahmens. Der Leitungsrahmen weist Rippenabschnitte (nicht gezeigt) auf, welche die Anschlüsse zum Formen zusammenhalten. Die Rippenabschnitte sind nicht von der Formungszusammensetzung bedeckt und werden, wie es üblich ist, nach dem Formen entfernt. Dementsprechend sind die Rippenabschnitte in den Zeichnungen nicht gezeigt.
Das Gehäuseelement 72 und die Grundplatte 44 sind in ihrer äußeren Ausgestaltung rechtwinklig, obwohl sie konzentrische Anschlüsse und eine kreisförmige Anordnung aus Bauteilen beherbergen. Dies stellt die größte Kontaktfläche zwischen der Grundplatte 44 und der Oberfläche ihres Trägerelements, beispielsweise der Wärmesenke 62, bereit, wenn viele derartige Gehäuseanordnungen auf der Wärmesenke 62 angeordnet sind. Das Gehäuseelement 72 ist haftend an die obere Oberfläche der Grundplatte 44 gebondet. Das Haftmittel ist nicht gezeigt. Ausnehmungen 72b und umgebende Stegbereiche sind in der unteren Oberfläche des Gehäuseelements 72 zur Gleichmäßigkeit der Haftmitteldicke vorgesehen.
Wie es in den Fig. 6-8 zu sehen ist, ist das Gehäuseelement 72 im wesentlichen ein rechtwinkliger Ring. Seine Unterseite ist durch die Grundplatte 44 verschlossen. Seine Oberseite ist durch einen Deckel 71 verschlossen, der einen rechtwinkligen Umfang aufweist, der sich in eine Nut an der oberen Kante des Gehäuseelements 72 einfügt. Die Nut ist mit einem Silikonhaftmittel (das nicht gezeigt ist) des zuvor beschriebenen Typs gefüllt. Ein derartiges Haftmittel ist von Dow Chemical Company of Midland, Michigan, erhältlich und ist für Silikonhaftmittel typisch, die für Halbleitervorrichtungen und Hybridschaltkreisvorrichtungen verwendet werden. Die Verwendung einer Silikonfüllung ist nicht neu. Sie wird allgemein als ein Füllstoff und zumindest als eine Beschichtung in Halbleitervorrichtungspackungen verwendet. Sie passiviert nicht nur die Chips, sondern das Harz unterstützt mechanisch. Die Anschlüsse 34 und 36 ragen, wie es gezeigt ist, nach oben aus dem Modul durch eine sich anpassende Ausnehmung in dem Deckel 71 hervor. Die Silikonfüllung kann im wesentlichen fertiggestellt sein, bevor der Deckel 71 in die Nut an der Oberseite des Gehäuses 72 gesetzt wird, und dann beendet werden, nachdem der Deckel eingesetzt worden ist. Dies kann umfassen, daß ein Wulst aus Harz den Raum zwischen dem Anschluß 36 und der mittleren Öffnung des Deckels 71 füllt.
Wie es oben gezeigt ist, ist die fertiggestellte Schalteranordnung auf der oberen Oberfläche der Wärmesenke 62 wahrscheinlich mit anderen derar tigen Modulen (nicht gezeigt) befestigt. Es kommt in Frage, die Wärmesenke mit anderen Modulen zu teilen, wenn sie ein Teil des in Fig. 5 veranschaulichten Dreiphaseninverterschaltkreises ist. Die Grundplatte 44 des Moduls ist an der Wärmesenke 62 mittels eines mittleren Bolzens 58 und Eckbolzen 70 befestigt. Wie es typisch für derartige Einbauten ist, ist vorzugsweise eine Schicht aus Silikonfett zwischen der Grundplatte 44 und der Wärmesenke 62 angeordnet, um eine gute Wärmeübertragung zwischen den zugewandten Oberflächen sicherzustellen, selbst wenn sie nicht perfekt eben sind.
Der mittlere Befestigungsbolzen 58 ist in der mittleren Ausnehmung in dem Anschluß 34 eingeschlossen. Eine Buchse 64 ist in eine Ausnehmung der Grundplatte eingefügt und umgibt den mit einem Gewinde versehenen unteren Abschnitt von 58 ein. Die Buchse 64 weist an ihrem oberen Umfang eine Schulter auf, die eine Belleville-Federscheibe 66 festlegt, die auch den mit einem Gewinde versehenen unteren Abschnitt des Bolzens 58 umgibt. Die Wärmesenke 62 weist Gewindebohrungen 68 auf, um die Bolzen 58 und 70 aufzunehmen. Der Kopf des Bolzens 58 ist zum Versand über Reibung in dem oberen Abschnitt 56b des rohrförmigen Abstandshalters 56 gehalten. Der Kopf des Bolzens 58 ist derart ausgebildet, daß er mit einem Werkzeug, wie einem Innensechskantschlüssel, durch die mittlere Gewindebohrung 60 in dem Anschluß 34 zusammenarbeitet. Der Bolzen 58 würde durch den Reibeingriff mit dem Oberteil 56b des Abstandshalters 56 in Eingriff mit einer Gewindebohrung 68 in der Wärmesenke 62 geschoben werden. Der Kopf des Bolzens 58 steht mit der Federscheibe 66 in Eingriff. Die Federscheibe 66 unterstützt, einen konstanten Druck zwischen der Grundplatte 44 und der Wärmesenke 62 während einer thermischen Wechselbeanspruchung aufrechtzuerhalten, ohne zuviel mechanische Spannung zwischen diese einzuleiten. Es ist zu sehen, daß die vier Ecken des Gehäuses auch nach unten geschraubt sind. Fig. 10 zeigt einen der Eckbolzen 70 und seine umgebende Federscheibe 66. Wie bei Bolzen 58 sind die Eckbolzen 70 in Ausnehmungen angeordnet, jedoch ist nur die Federscheibe 66 eingeschlossen.
Die vorhergehende detaillierte Beschreibung der Fig. 2-11 betraf ein Einzelschaltermodul. Bei einem derartigen Modul sind alle Substrate 10 mit dem Anschluß 34 verbunden. Daher sind die Kollektoren aller Transistoren 18 an dem Anschluß 34 miteinander verbunden. Zusätzlich sind die Emitter aller Transistoren 18 durch ihre Verbindung mit dem Anschluß 36 elektrisch parallel geschaltet. Der Schalter, den das Modul der Figur ·3-4 und 6-11 umfaßt, wäre funktionell dem Schalter 42 zwischen den Knoten 34 und 36 in dem Schaltkreisschaubild von Fig. 5 äquivalent. Wenn es möglich ist und wenn eine geeignete Anpassung eingerichtet werden kann, wäre es jedoch erwünscht, den Schalter zwischen den Knoten 34 und 36 von Fig. 5 mit dem Schalter zwischen den Knoten 36 und 37 von Fig. 5 zu kombinieren. Eine Kombination von zwei Einzelschaltern in einem Modul wird nachstehend als ein Doppelschaltermodul bezeichnet. In einem derartigen Fall würden die beiden Schalter einen gemeinsamen Kollektor/- Emitter-Anschluß aufweisen, beispielsweise bei Knoten 36 in Fig. 5.
In den Fig. 12 und 13 ist ein Doppelschalter schematisch ausführlicher veranschaulicht. Eine geradlinige Ausführung eines derartigen doppelten oder dualen Schalters ist in den Fig. 14-20 realistisch gezeigt. Jedoch kann der doppelte oder duale Schalter auch in einer kreisförmigen Form hergestellt werden.
Fig. 12 zeigt das elektrische Schema zur Vereinfachung des Verständnisses von einem vorstellungsgemäßen Standpunkt aus. Fig. 13 zeigt das gleiche elektrische Schema auf die tatsächliche Art und Weise, die es in den folgenden Fig. 14-20 annimmt. Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils sechs Transistor/Diode-Paare. Jedoch kann man bei einem Vergleich von Fig. 12 mit Fig. 3 sehen, daß in Fig. 12 (der Doppelschalter) die sechs Paare aus Transistoren und Dioden in zwei Gruppen von jeweils drei Paaren unterteilt sind. In Fig. 3 sind alle sechs Paare zusammen in einem Schalter gruppiert. In Fig. 12 sind die sechs Transistor/Dioden-Paare in zwei Gruppen unterteilt. Die drei Paare jeder Gruppe sind elektrisch parallel geschaltet und bilden einen Schalter, der allen sechs Paaren in Fig. 3 analog ist. Analog zu dem Einzelschaltermodul werden die Transistoren und Dioden in jeder Gruppe zu Beginn getestet und sortiert, bevor sie auf ihren diskreten Substraten befestigt werden. Nach dem Befestigen wird jedes Transistor/Diode-Paar als ein Paar getestet und sortiert. Ähnliche Paare werden dann angepaßt und in Dreierelementgruppen plaziert. Dementsprechend werden die Ausgangseigenschaften jedes Substrats, d. h. befestigten Paars, in jeder Gruppe im wesentlichen gleich sein, um die Symmetrie bereitzustellen, die in Verbindung mit dem Einzelschalter der Fig. 3-4 und 6-11 diskutiert worden ist. Zusätzlich ist es sehr bevorzugt, daß alle Transistoren in beiden Gruppen gleich sind, um die Symmetrie noch weiter auszudehnen.
In Fig. 12 weisen die Transistoren der Gruppe I 18a, 18b und 18c alle den gleichen Kollektor-Anschluß 34, Emitter-Anschluß 36, Gate-Anschluß 30, Kollektor-Kelvin 34k und Emitter-Kelvin 36k auf. Die Transistoren der Gruppe 11 18d, 18e und 18f weisen Kollektor-Leitungen 36d, 36e und 36f auf. Es ist zu sehen, daß die Kollektor-Leitungen der Gruppe 11 74d, 74e und 74f mit dem gleichen Bus 36g/76g wie die Emitter-Leitungen der Gruppe I 36a, 36b und 36c verbunden sind. Dementsprechend funktioniert der Anschluß 36/74 als ein Emitter-Anschluß für die Transistoren der Gruppe I und als ein Kollektor-Anschluß für die Transistoren der Gruppe 11. Die Emitter-Leitungen 76d, 76e und 76f für die Transistoren der Gruppe 11 weisen ihren eigenen Bus 76g auf, der mit dem Emitter-Anschluß der Transistoren der Gruppe 11 76 verbunden ist. Der Emitter-Anschluß 76 ist in den Fig. 12 und 13 mit E2 markiert. Weil es beabsichtigt ist, daß die Transistoren in Gruppe I in dem "Ein"-Zustand sind, wenn die Transistoren der Gruppe 11 in dem "Aus"-Zustand sind und umgekehrt, ist eine separate Gate-Steuerelektrode für jede Gruppe notwendig. Dementsprechend weisen die Transistoren der Gruppe 11 ihren eigenen Gate-Anschluß 78, Gate-Bus 78g und Gate-Leitungen 78d, 78e und 78f auf.
Um die Transistoren in jeder Gruppe anzupassen, weist jeder von diesen einen lasertrimmbaren variablen Widerstand 32d, 32e und 32f in Reihe mit seinem jeweiligen Gate-Leiter auf. Ähnlich sind separate Emitter- und Kollektor-Kelvin-Elektroden 76k und 74k für die Elektroden der Gruppe II vorgesehen.
Fig. 13 zeigt schematisch das tatsächliche Modullayout einschließlich der Anordnung der Transistoren, wie sie in den Fig. 14-20 gezeigt ist. Die Prinzipien der chemischen, mechanischen und elektrischen Symmetrie können auch auf eine geradlinige Struktur angewandt werden, wie beispielsweise das Modul der Fig. 12-20. Außerdem können sie verwendet werden, um ein Modul mit niedriger Induktivität zu bilden, das mehr als einen Schalter enthält. Die Fig. 12-20 zeigen eine Struktur mit nur einem Paar Schalter. Andererseits wird erwartet, daß dieses Prinzip verwendet werden kann, um Schaltmodule mit niedriger Induktivität mit mehr als einem Paar Schalter zu bilden.
Die Fig. 12-20 sind in diese Beschreibung eingeschlossen, um zu veranschaulichen, daß die wichtigen Prinzipien der chemischen, mechanischen und geometrischen Symmetrie den Modulaufbau ausreichend vereinfachen, um ihn kommerziell herstellbar zu machen. Dies stimmt insbesondere, wenn das Modul unter Verwendung des beschriebenen Substrats hergestellt wird.
Um sowohl die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen dem kreisförmigen Einzelschalter der Fig. 3-4 und 6-11 und dem geradlinigen Doppelschalter der Fig. 12-20 herauszustellen, sind ähnlichen Bauteile ähnliche Bezugszeichen gegeben worden. In den Fig. 14-17 bilden die drei ausgerichteten Substratunterbaugruppen 10 oben in jeder Figur einen ersten Schalter, während die drei ausgerichteten Unterbaugruppen 10 unten in jeder Figur den zweiten Schalter umfassen.
In dem in den Fig. 14-20 gezeigten geradlinigen Aufbau werden die vorstehend erwähnte Eingangs- und Ausgangsanschlußparallelität und -überlappung ausgiebig verwendet. Beispielsweise nehmen die Eingangs- und Ausgangsleiter 34g und 36g für den ersten Schalter die Form von im allgemeinen in Übereinstimmung stehenden, überlappenden, parallelen Platten an (die oben in jeder der Fig. 14-17 gezeigt sind). Ähnlich nehmen die Eingangs- und Ausgangsleiter für den zweiten Schalter die Form von im wesentlichen in Übereinstimmung stehenden, überlappenden, parallelen Platten 74g und 76g an (die unten in jeder der Fig. 14-20 gezeigt sind). Wegen einer derartigen Symmetrie und Überlappung werden die Eingangs- und Ausgangsinduktivitäten in beiden Schaltern effektiv ausgelöscht oder neutralisiert.
Fig. 14 zeigt ein Doppelschaltermodul vom geradlinigen Typ in einem frühen Zusammenbaustadium. Das Modul weist eine im allgemeinen ringförmige Grundplatte 80 auf, die eine flache, ringförmige, obere Oberfläche 82 aufweist, die einen im allgemeinen rechtwinkligen Außenumfang aufweist. Die Grundplatte 80 weist eine Öffnung 81 in jeder ihrer vier Ecken auf, um Befestigungsbolzen (die nicht gezeigt sind) aufzunehmen. Die Befestigungsbolzen werden verwendet, um die Grundplatte 80 an einen Träger (der nicht gezeigt ist) zu klemmen. Wie es in den Fig. 18-19 besser zu sehen ist, ist die Grundplatte 80 hohl und flüssigkeitsgekühlt. Ihr Träger muß deshalb keine Wärmesenke sein, wie die Wärmesenke 62 in der zuerst beschriebenen Ausführungsform. Später wird in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 18 und 19 mehr über die Flüssigkeitskühlung der Grundplatte gesagt.
Der innere Umfang der Grundplattenoberfläche 82 ist durch einen verlängerten zentralen Schlitz 86 gebildet. Der Schlitz 86 weist zwei parallele lange Seiten 86a und 86b auf und ist an seinen entgegengesetzten Enden 86c ähnlich wie der Außenumfang einer Pferderennbahn symmetrisch gerundet. Dies führt zu zwei parallelen, verlängerten Abschnitten 82a und 82b der Oberfläche 82, die durch den Schlitz symmetrisch beabstandet sind. Jeder der verlängerten Oberflächenabschnitte 82a und 82b weist einen verlängerten rechtwinkligen Bereich auf, der jeweils als 84a bzw. 84b bezeichnet ist. Die verlängerten rechtwinkligen Bereiche 84a und 84b sind symmetrisch in bezug zueinander auf parallelen Oberflächenabschnitten 82a und 82b angeordnet. Daher wird die Kühlrate in entsprechenden Teilen ähnlich sein. Zusätzlich sind die Oberflächenabschnitte 84a und 84b insbesondere vorbereitet, um Substratunterbaugruppen 10 und Dickfilm- Widerstand-Chips 32a - 32f aufzunehmen. Mit besonders vorbereitet ist gemeint, daß die Bereiche 84a und 84b leicht lötbar, d. h. nickelplattiert sind, wenn die Substrate 10 und/oder Chipwiderstandssubstrate 32a - 32f an ihre Stelle gelötet werden sollen. Wenn sie haftend an ihre Stelle gebondet werden sollen, werden andererseits die Grundplattenoberflächenabschnitte 84a und 84b besonders vorbereitet, d. h. geätzt und/oder mikro-aufgerauht, um die Anhaftung zu unterstützen.
Die Substrate 10 und die Chipwiderstandssubstrate 32a - 32f sind vorzugsweise die gleichen, wie sie in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben wurden. Dies würde eine metallisierte untere Oberfläche einschließen, die ein Löten an die Grundplattenoberflächenabschnitte 84a und 84b gestattet, wie es gezeigt ist. Die Chipwiderstandssubstrate 32a - 32f würden jeweils aus Keramik bestehen, die eine Dickfilm-Cermet-Widerstandsbeschichtung in der Mitte ihrer oberen Oberfläche und eine Verbindungs- Dickfilm-Cermet-Edelmetallbeschichtung an jedem Ende aufweist. Die Substrate 10 wären wie es früher beschrieben wurde und in Fig. 1 gezeigt ist. Jedoch ist die Lasche 14a in Fig. 14 nicht gezeigt, weil sie aus dünnem Metall besteht und in dieser Ansicht gerade nach oben senkrecht zur Oberfläche 82 gebogen ist. Die Biegung ist so gezeigt, daß sie genau an der Kante des Substrats in den Fig. 14-20 liegt. Andererseits muß dies nicht so sein. Man kann es bevorzugen, daß die erste Biegung eher wie diejenige ist, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Drei Substrate 10 sind an den Oberflächenabschnitt 84a gelötet, und drei weitere an den Oberflächenabschnitt 84b. Jede Gruppe von Drei liegt entlang einer Linie parallel zur Mittellinie eines Schlitzes 86 und ist in der gleichen Entfernung von dieser beabstandet. Die Chipwiderstände 32a - 32f sind wie gezeigt angeordnet. Sie sind vorzugsweise auch symmetrisch angeordnet, um eine Gleichmäßigkeit bei der Kühlung und dadurch eine Gleichmäßigkeit der Temperatur während des Betriebes zu erhalten. Ein Aufrechterhalten einer derartigen Gleichmäßigkeit der Temperatur ist wichtig, weil Widerstände ihren Widerstand mit der Temperatur ändern können. In diesem Modul sind Widerstand-Chips 32a - 32f vorhanden, um den Transistoren auf dem Substrat 10 eine gleichmäßige Gate-Spannung zu liefern. Wenn sich die Widerstand-Chips 10 nicht gleichmäßig ändern, wird die Gate-Spannung unter den Transistoren schwanken, wodurch ein Verlust bei der beabsichtigten Symmetrie erzeugt wird. Wie es gezeigt ist, sind Transistoren 18a - 18c auf den Substraten 10 entlang des oberen Teils der Fig. 14-17 angeordnet. Die Transistoren 18d - 18f sind auf den Substraten 10 entlang des unteren Teils jener Figuren angeordnet.
Ein erster Kunststoffabstandshalter 90 ist auf der Grundplattenoberfläche 82 zwischen den beiden Reihen von Substraten 10 angeordnet. Ein erster Kunststoffabstandshalter 90 besteht aus elektrisch nicht leitendem Kunststoff, wie der gesamte Rest der Kunststoffelemente, die in diesem Modul beschrieben werden sollen. Der erste Kunststoffabstandshalter 90 ist ein im allgemeinen plattenähnliches, rechtwinkliges Element, das viele zusätzliche Anpassungen aufweist. Eine der Anpassungen ist ein ringförmiger, wandähnlicher Vorsprung 90e auf seiner unteren Oberfläche. Der wandähnliche Vorsprung 90e ist in einen Schlitz 86 eingefügt. Der Vorsprung 90e legt den ersten Kunststoffabstandshalter 90 auf der Oberfläche 82 in bezug auf die verlängerten rechtwinkligen Oberflächenabschnitte 84a und 84b fest. Ein komplexes Kunststofformteil 88 ist in den wandähnlichen Vorsprung 90e eingefügt und haftend an diesen gebondet. Das komplexe Kunststofformteil 88 weist drei zylindrische Vorsprünge 88a, 88b und 88c auf, die gleichmäßig entlang der Mittellinie der Länge des Schlitzes beabstandet sind. Die zylindrischen Vorsprünge 88a, 88b bzw. 88c weisen jeweils sechseckige Ausnehmungen 88a', 88b' und 88c' auf, in denen Klemmuttern 89 angeordnet und haftend gebondet sind. Zur Ver einfachung der Veranschaulichung ist das Haftmittel nicht gezeigt. Aus analogen Gründen ist es in irgendwelchen anderen Teilen der Fig. 14-20 auch nicht gezeigt. Das gleiche Silikonhaftmittel, wie es für die zuerst beschriebene Ausführungsform beschrieben wurde, kann auch für diese Ausführungsform verwendet werden.
Die untere Oberfläche des ersten Kunststoffabstandshalters außerhalb des ringförmigen Vorsprunges 90e ist flach und ruht auf dem darunterliegenden Abschnitt der Grundplattenoberfläche 82. Die beiden sind haftend aneinander gebondet.
Der erste Kunststoffabstandshalter 90 enthält ein erstes geradliniges Leitungsrahmenelement 30g und ein zweites geradliniges Leitungsrahmenelement 78g. Beide geradlinigen Leitungsrahmenelemente sind in Fig. 16 in gestrichelten Linienzügen gezeigt. Es ist zu erwähnen, daß Fig. 16 auch einen zweiten Kunststoffabstandshalter zeigt, der über dem ersten Kunststoffabstandshalter liegt. Es ist nicht beabsichtigt, daß die gestrichelten Linienzüge zeigen sollten, daß sich der Leitungsrahmen in dem zweiten Kunststoffabstandshalter befindet. Es wird hier festgehalten, daß nichts in dem zweiten Kunststoffabstandshalter eingebettet ist. Daher enthält er keinen eingebetteten Leitungsrahmen.
Das erste eingebettete Leitungsrahmenelement 30g in dem ersten Kunststoffabstandshalter 90 dient als ein Gate-Bus für die erste Gruppe Transistoren 18a, 18b und 18c. Der zweite geradlinige Bus 78g dient als ein zweiter Gate-Bus für die Transistoren 18d, 18e und 18f. Der obere Teil des Abstandshalters 90 ist in Fig. 14 weggebrochen. Jedoch ist der erste Kunststoffabstandshalter 90 in seiner Gesamtheit in Fig. 15 zu sehen, gemeinsam mit den freiliegenden Teilen der beiden eingebetteten Leitungs rahmen. Man kann sehen, daß es freiliegende Abschnitte eines Leitungsrahmens 30g gegenüber den Widerstand-Chips 32a, 32b und 32c sowie in einer Erweiterung 90a gibt. Der zweite Leitungsrahmen 78g ist entlang der entgegengesetzten Kante des ersten Kunststoffabstandshalters 90 eingebettet. Freie Endabschnitte des Leitungsrahmens 78g sind gegenüber Widerstand-Chips 32d, 32e und 32f freigelegt. Auch ist ein Abschnitt von diesem in der Erweiterung 90b eingebettet, die diametral der ersten Abstandshaltererweiterung 90a entgegengesetzt ist.
Der Abstandshalter 90 weist mehrere zusätzliche Ausformungen auf. Diese zusätzlichen Ausformungen dienen dazu, anschließend zusammengebaute Bauteile, wie die Anschlußplatten 34g und 74g und einen darüberliegenden zweiten Kunststoffabstandshalter 92 festzulegen.
In der gleichen Ebene auf dem ersten Kunststoffabstandshalter 90 sind zwei Metallplatten 34g und 74g angeordnet, die jeweils eine geradlinige Kante, die den Substratunterbaugruppen zugewandt ist, denen es entspricht, und eine große halbkreisförmige Vergrößerung aufweisen. Die Vergrößerung auf der Anschlußplatte 74g liegt in der Mitte der Länge der Platte. Die Vergrößerung auf der Anschlußplatte 34g befindet sich an einem Ende. Die beiden Vergrößerungen sind ineinander verschachtelt, wobei sie durch eine schmale kurze Wand 90c an dem Abstandshalter 90 getrennt sind. Ein Teil der Vergrößerung in der Anschlußplatte 34g ist in Fig. 15 durch einen zylindrischen Anschlußvorsprung 34 verdeckt. Die Anschlußplatten 34g und 74g und der Vorsprung 34 bestehen aus nickelplattiertem Kupfer, wie die anderen Anschlußplatten 36g und 76g und die Anschlußvorsprünge 36/74 und 76. Die Anschlußvorsprünge 34, 36/74 und 76 weisen jeweils eine zentrale Bohrung auf, um einen Bolzen 94 aufzunehmen. Der Bolzen 94 arbeitet mit einer Mutter 89 in einer Ausneh mung 88a' des Kunststofformteils 88 zusammen, um den Anschluß 76g gegen die Grundplatte 80 zu klemmen. Wie es zuvor gezeigt wurde, wäre die Klemmutter 89 haftend an die Ausnehmung 88a' gebondet.
Es ist auch zu bemerken, daß in Fig. 15 die Substratlaschen 14a nun nach unten über ihre jeweiligen Anschlußplatten 34g und 74g gebogen worden sind. Die Laschen 14a weisen deshalb zwei rechtwinklige Biegungen auf, wie die Substratlasche 14a in Fig. 1. Jeder der Abschnitte an den Laschen 14a, der über seine jeweilige Anschlußplatte 34g bzw. 74g liegt, ist an jene Anschlußplatten elektronen- oder lasergeschweißt. Die Schweißung nimmt die Form von zwei geradlinigen Schweißstreifen an jeder Lasche an. Ggf. können die Laschen 14a jeweils an ihre jeweiligen Anschlußplatten 34g und 74g gelötet werden.
Wie es früher gezeigt wurde, unterstützen die Ausformungen an dem Kunststoffabstandshalter 90 die Positionierung der Anschlußplattenelemente 34g und 74g in bezug zueinander und in bezug auf die Laschen 14a. Zusätzlich ist zu erwähnen, daß der erste Kunststoffabstandshalter 90 einen aufrecht stehenden Vorsprung 90d an seinen linken und rechten Kanten aufweist. Diese Vorsprünge fügen sich in zusammenwirkende Ausnehmungen 92b in dem zweiten Kunststoffabstandshalter 92 ein, wie es in Fig. 16 zu sehen ist.
Wie es in Fig. 16 auch zu sehen ist, ist der zweite Kunststoffabstandshalter 92 ein im allgemeinen plattenähnlicher, rechtwinkliger, geformter Plattenkörper, der ausgerichtete Anpassungen aufweist. Die Anschlußplatten 36g und 76g sind auf einem zweiten Kunststoffabstandshalter 92 angeordnet. Sie liegen koplanar zueinander, sind jedoch über den unteren Platten 34g und 74g ausgerichtet. Eine kurze Wand 92c hilft, die An schlußplatten 36g und 76g über den Anschlußplatten 34g und 76g auszurichten, so daß sie sich im wesentlichen in überlappender Beziehung befinden. Die Wand 92c in dem zweiten Kunststoffabstandshalter 92 ist somit analog zu der Wand 90c in dem ersten Kunststoffabstandshalter 90.
Es ist aus Fig. 16 zu bemerken, daß das obere Paar Anschlußebenen 36g und 76g beinahe Spiegelbilder des unteren Paares Anschlußplatten 34g und 74g sind. Jedoch weist das obere Paar Platten Erweiterungen an ihren Enden auf, die sich in Ausformungen an der oberen Oberfläche des zweiten Kunststoffabstandshalters 92 einfügen. Zusätzlich ist zu bemerken, daß die Längskante von jeder der oberen Anschlußplatten 36g und 76g zwei Kerben aufweist, die jeweils über freiliegenden Abschnitten der Leitungsrahmen 30g und 78g in dem ersten Kunststoffabstandshalter angeordnet sind. Daher liegen die Kerben in der Anschlußplatte 36g gegenüber den Widerstand-Chips 32b und 32c. Die Kerben in der Anschlußplatte 76g liegen gegenüber den Widerstand-Chips 32e und 32f.
Zusätzlich gibt es drei rechtwinklige Aluminiumschichtaufbauten 36g', die durch die Kerben an der geradlinigen Kante der Anschlußplatte 36g beabstandet sind. Die Aluminiumschichtaufbauten 36g' steigern die Bondbarkeit der Aluminiumfadendrähte zwischen dem Anschlußelement 36g und den jeweiligen Aluminiummetallisierungen, die Gate-Elektroden auf den Transistoren 18a, 18b und 18c bilden. Aus den gleichen Gründen weist die Anschlußplatte 76g drei rechtwinklige Aluminiumschichtaufbauten 76g' entlang ihrer gekerbten geradlinigen Kante auf. Die Aluminiumschichtaufbauten können auf irgendeine geeignete Art und Weise gebildet sein und bilden keinen Teil dieser Erfindung.
Es ist zu sehen, daß die halbkreisförmige Vergrößerung der oberen Anschlußplatte 74 über der halbkreisförmigen Vergrößerung der Anschlußplatte 36 liegt. Die zentralen Bohrungen in diesen überlappenden Plattenabschnitten befinden sich in Übereinstimmung. Nickelplattierte Kupferscheiben mit einer kombinierten Dicke, die gleich derjenigen des zweiten Kunststoffabstandshalters ist, sind zwischen den darüberliegenden halbkreisförmigen Abschnitten der Anschlußplatten 36g und 74g angeordnet. Fig. 16 zeigt ferner einen zylindrischen Anschlußvorsprung 36/74, der mit diesen Bohrungen in Übereinstimmung steht, und die Kombination, die durch einen Bolzen 94 und eine Mutter 89 zusammengeklemmt ist. Es ist zu verstehen, daß der Anschluß 36/74 einen gemeinsamen elektrischen Kontakt oder Schaltkreisknoten bildet, wie es in den elektrischen Schemata der Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Der Anschlußvorsprung 46/74 bildet dann einen Emitter-Anschluß für die ersten Schalttransistoren 18a, 18b und 18c und einen Kollektor-Anschluß für die zweiten Schalttransistoren 18d, 18e und 18f. Der zylindrische Anschlußvorsprung 76 ist ähnlich mittels eines Bolzens 94 an die Anschlußplatte 76g geklemmt und bildet einen Emitter-Anschluß für die zweiten Schalttransistoren 18d, 18e und 18f. Ggf. können Scheiben unter den Anschlußplatten oder unter ihren Anschlußzylindervorsprüngen verwendet werden, um die Höhe der oberen Oberfläche der Zylinder so einzustellen, daß sie zu irgendeinem entsprechenden Verbindersystem paßt, das angewandt werden könnte. In einem solchen Fall könnte eine gemeinsame Zylindergröße für alle Anschlüsse verwendet werden. Es ist zu erwähnen, daß es bevorzugt sein kann, das untere Paar koplanare Platten haftend an den ersten Kunststoffabstandshalter zu bonden, den zweiten Kunststoffabstandshalter haftend an diesen und/oder den ersten Kunststoffabstandshalter zu bonden und das zweite Paar koplanare Platten haftend an den zweiten Kunststoffabstandshalter zu bonden. Alternativ und am meisten bevorzugt wären die Platten, Ab standshalter und Scheiben (wenn welche notwendig wären) alle zu einem einzigen Metall/Kunststoff Verbundteil einsatzgeformt. Dies wäre der einfachste Aufbau von allen und wahrscheinlich der wirtschaftlichste und verläßlichste.
In jedem Fall kann das Drahtbonden fortschreiten, sobald die oberen koplanaren Anschlußplatten 36g und 74g sich an ihrer Stelle befinden. Relativ dicker Aluminiumfadendraht würde über Thermokompression und/oder Ultraschall gebondet werden.
Diese Drähte würde sich zwischen den aluminierten Abschnitten der Anschlußplatten und den Halbleitervorrichtungen auf den Substraten erstrecken, wie es gezeigt ist. Sie würden sich auch von den freiliegenden Teilen des Gate-Busses 30g zu den Widerstand-Chips 32a, 32b und 32c erstrecken. Sie würden sich von den freiliegenden Teilen des Gate-Busses 78g zu den Widerstand-Chips 32d, 32e und 32f erstrecken. Von den Widerstand-Chips 32a - 32f würde sich der Aluminiumdraht jeweils zu der aluminiumbeschichteten Gate-Elektrode auf den Transistoren 18a - 18f erstrecken. Wie es vorstehend gezeigt wurde, wird relativ dicker Aluminiumfadendraht verwendet. Jedoch werden, wie es in Fig. 17 gezeigt ist, mehrere Litzen derartiger Drähte in den Kontakten mit großer Fläche der Transistoren und Dioden verwendet, um den hohen Strom bei niedrigem Widerstand zu handhaben. Wie es früher gezeigt wurde, erhöht die Vielzahl Drähte auf den Transistoren auch leicht die Lebensdauer der Bondungen für die an den Transistoren angeschlossenen Drähte.
Es ist zu erwähnen, daß die geometrische Symmetrie noch leichter bei dem geradlinigen Modultyp als bei dem konzentrischen Modultyp bereitgestellt werden kann. Es ist auch zu sehen, daß sich in dem geradlinigen Modul die Längen des Fadendrahtes zwischen den Transistoren und den Anschlüssen sich über die Laschen 14a hinaus erstrecken. Dies ergibt einen Stromfluß in einer entgegengesetzten jedoch parallelen Richtung. Wie es früher gezeigt wurde, neigt dies dazu, weitere Eingangs/Ausgangs- Induktivität zu neutralisieren.
Fig. 17 zeigt ein Gehäuse 96, das über der Grundplatte 80 in Übereinstimmung steht und haftend an die obere Oberfläche 82 der Grundplatte gebondet ist. Das Gehäuse 96 besteht aus nicht leitendem Kunststoff und weist einen ringähnlichen äußeren Abschnitt 96a und einen mittleren Brückenabschnitt 96b auf. Der mittlere Brückenabschnitt 96b weist drei Öffnungen 96c auf, um die Anschlußpfosten, d. h. die Vorsprünge 34, 36/74 und 76, aufzunehmen. Die linke Seite des Gehäuserings 96a weist eine Vergrößerung 96d auf, die eine Ausnehmung 96e umfaßt, in der Anschlußlaschen 30, 36k und 34k angeordnet sind. Analog weist die rechte Seite des Gehäuserings 96a eine Vergrößerung 96d' auf. Die Vergrößerung 96d' weist eine Ausnehmung 96e' auf, in der Anschlußlaschen 76k, 74k und 78 freigelegt sind. Die Anschlußlaschen 30, 36k und 34k sind freiliegende Enden eines Leitungsrahmens, der in dem Gehäuse 96 eingebettet ist, um elektrische Verbindungen mit verschiedenen Teilen der Anordnung auf unterschiedlichen Niveaus und an unterschiedlichen Stellen unter dem Deckel 96 zu bilden. Die beiden eingebetteten Leitungsrahmen sind in Fig. 17 in gestrichelten Linienzügen gezeigt. Wie es zu sehen ist, weisen sie eine ähnliche Ausgestaltung auf, sind jedoch entgegengesetzt angeordnet. Jeder Leitungsrahmen kann durch Einsatzformen des Gehäuses als ein Teil des Gehäuses hergestellt sein.
In einem solchen Fall werden nach dem Formen die verschiedenen Verbindungsabschnitte des Leitungsrahmens entfernt, um die individuellen Teile des Leitungsrahmens zu lösen. Die freiliegenden Abschnitte können, wie es üblich ist, durch Schneiden oder Stanzen entfernt werden. Bei dieser Ausführungsform umfaßt jeder der beiden Leitungsrahmen zwei gerippte Abschnitte unter dem Rand 96a. Die gerippten Abschnitte werden entfernt, indem Löcher 98 durch den Gehäusekunststoff nach unten und weiter durch die gerippten Verbindungsabschnitte nach unten gebohrt werden. Dies erzeugt eine abschließende Trennung zwischen den verschiedenen Leitungen 30, 36k und 34k links in der Figur. Analog werden Löcher 98' durch den rechten Rand des Gehäuserings 96a nach unten durch den verbindenden gerippten Abschnitt zwischen den Anschlußelementen 76k, 74k und 78 nach unten gebohrt. Die gebohrten Löcher trennen den Leitungsrahmen in drei diskrete, elektrisch isolierte Anschlüsse. Nachdem die Löcher 98 und 98' gebohrt und die jeweiligen Elektroden getrennt worden sind, können die Löcher mit irgendeinem geeigneten Material gefüllt werden, wie beispielsweise das gleiche Haftmittel, das verwendet wird, um das Gehäuse 96 an die Grundplatte 80 zu bonden.
Es ist auch zu erwähnen, daß der Gehäuseringabschnitt 96a in seinen vier Vierteln Löcher 100 aufweist, die den Löchern 81 in den vier Ecken der Grundplatte 80 entsprechen. Wenn der Deckel 96 an die Grundplatte 80 gebondet wird, werden diese Löcher offengelassen, so daß Bolzen (die nicht gezeigt sind) verwendet werden können, um die resultierende Anordnung an einen Träger (der nicht gezeigt ist) zu klemmen.
Während dies nicht früher erwähnt wurde, weist der erste Kunststoffabstandshalter 90 winzige Öffnungen 104 in seinen entgegengesetzten Erweiterungen 90a und 90b auf. Diese Öffnungen erstrecken sich nach unten in die Dicke des Kunststoffabstandshalters 96 und gelangen mit entsprechenden Löchern in den eingebetteten Leitungsrahmenanordnungen 30g und 78g in Übereinstimmung. Es ist in Fig. 15 auch zu sehen, daß die Anschlußplatten 34g und 74g ähnliche kleine Öffnungen aufweisen. Fig. 16 zeigt kleine Öffnungen in jeder der Anschlußplatten 36g und 76g. Wie es in Fig. 17 gezeigt ist, schneidet die Öffnung 102 in dem Gehäuse 96 eine Öffnung (die nicht separat gezeigt ist) in dem ersten Leitungsrahmenelement 30, das in dem Gehäuse 96 eingebettet ist. Die Öffnung 102 weist den gleichen Durchmesser wie die Öffnung in dem ersten Leitungsrahmen 30 auf, der in dem Gehäuse 96 eingebettet ist, und steht mit dieser in Übereinstimmung. Die Öffnung 102 steht auch in Übereinstimmung über der Öffnung 104 in der unteren Abstandshaltererweiterung 90b. Eine winzige Öffnung 106 in der unteren rechten Ecke des Leitungsrahmens 96 schneidet eine Öffnung (die nicht separat gezeigt ist) in dem zweiten Leitungsrahmenelement 78, das in dem Gehäuse 96 eingebettet ist. Die Öffnung 106 weist den gleichen Durchmesser wie die Öffnung in dem zweiten Leitungsrahmen 78 auf, der in dem Gehäuse 96 eingebettet ist, und steht mit dieser in Übereinstimmung. Die Öffnung 106 steht auch in Übereinstimmung über der Öffnung, die in Übereinstimmung mit der Öffnung 105 in der unteren Abstandshaltererweiterung 90a steht. Stifte (die nicht separat gezeigt sind) werden durch jeden Satz in Übereinstimmung stehende Öffnungen und durch die zugehörigen überlappenden Abschnitte jedes Paares eingebettete Leitungsrahmen nach unten hindurchgetrieben. Die Stifte weisen einen rechtwinkligen Querschnitt auf und sind gehärtet, so daß sie eingeschlagen oder nach unten gepreßt werden können. Um einen permanenten Kontakt sicherzustellen, ist die diagonale Abmessung des Querschnitts der Stifte ungefähr 5-25% dicker als der Durchmesser der Öffnungen. Wenn sie viel dicker als dies sind, kann es schwierig werden, die Stifte nach unten in den zweiten Leitungsrahmen zu treiben. Die Länge der Stifte ist geringfügig länger als sie sich von der Oberfläche des Gehäuses 96 und durch den zweiten Leitungsrahmen (der auch in dem er sten Kunststoffabstandshalter eingebettet ist) erstrecken werden. Ein Stift schafft somit einen elektrischen Kontakt zwischen dem freiliegenden Kontakt 30 und dem Gate-Bus 30g für die Transistoren 18a, 18b und 18c über die Öffnungen 102 und 104. Ähnlich schafft ein Stift, der durch die Öffnungen 106 und 105 getrieben ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Gate-Anschlußlasche 78 und dem Leitungsrahmen 78g für die Transistoren 18d, 18e und 18f. Wie es oben erwähnt wurde, wurden die Chipwiderstände 32a - 32c und 32d = 32f zuvor durch Fadendrähte mit ihren jeweiligen Leitungsrahmen 30g und 78g verbunden, und wurden auch durch Fadendrähte mit den Gate-Elektroden ihrer jeweiligen Transistoren verbunden. Dementsprechend können die Chipwiderstände 32a - 32f so getrimmt werden, daß ein vorbestimmtes Gate-Potential an die Transistoren 18a - 18f angelegt werden kann. Vermutlich ist die vorbestimmte Spannung für alle Transistoren die gleichen Spannung. Jedoch ist zu erkennen, daß ein gleiches Potential beabsichtigt ist, um eine gleiche Leistungsfähigkeit zu schaffen. Es ist vorstellbar, daß in manchen Fällen ein unterschiedliches Potential für einige oder alle Transistoren 18a - 18f erwünscht sein kann, um eine gleiche Leistungsfähigkeit zu erhalten. Beispielsweise kann ein gegebener Transistor eine größere Gate- Spannung benötigen, um das gleiche Betriebsniveau wie die anderen Transistoren zu erreichen.
Die Kelvin-Verbindungen sind für diese Ausführungsform bisher noch nicht beschrieben worden. Sie sind von dem Gehäuseleitungsrahmen aus unter Verwendung einer Verbindung vom Eintreibstifttyp vorgesehen, wie es in dem vorhergehenden Absatz beschrieben worden ist. Sie werden vorgesehen, indem ein Stift, der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist und gehärtet ist, in die anderen Öffnungen in dem Gehäuse eingetrieben wird. Dies verbindet ausgewählte diskrete Elemente der Gehäuseleitungen mit ausgewählten Anschlußelementen. Beispielsweise erstreckt sich die Öffnung 108 durch ein Gehäuseleitungsrahmenelement und steht in Übereinstimmung über einer Öffnungsanschlußplatte 36g. Das Eintreiben des zuvor erwähnten Stifttyps nach unten durch diese Öffnungen wird die Anschlußlasche 34k mit der Anschlußplatte 34g verbinden. Ein Stift, der nach unten durch eine Öffnung 110 getrieben worden ist, verbindet die Kontaktlasche mit der Anschlußplatte 36g. Ein Stift, der nach unten durch eine Öffnung 112 getrieben worden ist, verbindet die Kontaktlasche 74k mit der Anschlußplatte 74g. Ein Stift, der nach unten durch eine Öffnung 114 getrieben worden ist, verbindet die Kontaktlasche 76k mit der Anschlußplatte 76g. Sobald alle Stifte eingetrieben worden sind, können die Öffnungen verschlossen werden. Es kann Haftmittel verwendet werden. Dann kann die Kammer, die durch das Gehäuse 96 und die Grundplatte 80 gebildet ist, ggf. mit einem Silikonharz oder Öl gefüllt werden.
Das Füllen ist nicht gezeigt, weil es optional und wohl bekannt ist.
Ein Deckel 116, der aus nicht leitendem Kunststoff oder dergleichen hergestellt ist, wird dann über das Gehäuse 96 gesetzt. Der äußere Umfang des Deckels 116 fügt sich in eine Umfangsnut in dem Gehäuse 96 ein. Ein Haftmittel (das nicht gezeigt ist) wird in der Umfangsnut 118 angeordnet, um den Deckel I 16 an das Gehäuse 96 zu bonden. Das Gehäuse 116 weist Öffnungen 116a auf, die den Öffnungen 96c in dem Gehäusebrückenabschnitt 96b entsprechen und mit diesen in Übereinstimmung stehen. Die Öffnungen 116a stehen in Übereinstimmung mit den Öffnungen 96c in dem Brückenabschnitt 96b des Gehäuses 96, um die Anschlußvorsprünge 34, 36/74 und 76 aufzunehmen.
Die Fig. 18 und 19 sind jeweils Querschnittsansichten entlang der Breiten- bzw. Längenmittellinie der fertiggestellten Vorrichtung. Um den Unterschied zwischen Kunststoff und Metall in diesen Ansichten besser herauszustellen, ist der Kunststoff in herkömmlichem Querschnitt gezeigt. Metall ist es nicht. Zusätzlich sind einige der Metallelemente im Aufriß gezeigt. Beispielsweise sind die Klemmutter 39 und -bolzen 94 in den Fig. 18 und 19 im Aufriß gezeigt.
Die Grundplatte 80 ist das gleiche Verbundmaterial, wie es für die Grundplatte 62 bei dem Einzelschalter der Fig. 3-4 und 6-11 verwendet wird. Jedoch ist die Grundplatte 80 dieser Ausführungsform hohl. Zusätzlich umfaßt ihr Inneres zylindrische Pfostenabschnitte 118, die sich zwischen oberen und unteren Innenflächen der hohlen Grundplatte 80 erstrecken. Die Innenpfosten 118 sind in einer gleichmäßigen Anordnung angeordnet, um die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat 80 und einem Kühlmittelfluid, das durch die Grundplatte 80 geleitet wird, zu steigern. Das Kühlfluid tritt durch einen Eintrittskanal 120 in das Innere 122 der Grundplatte 118 ein. Das Innere 122 befindet sich an einem Ende der Länge der Grundplatte und verbindet sich mit zwei inneren Abschnitten 124 der Grundplatte. Die inneren Abschnitte 124 sind auf beiden Seiten eines Schlitzes 86 angeordnet. Die anderen Enden der inneren Abschnitte der Grundplatte 124 stehen mit dem inneren Abschnitt 126 an dem anderen Ende der Grundplatte in Verbindung. Der innere Abschnitt 126 verbindet sich mit einem Auslaßtor 128.
Wie es früher erwähnt wurde, ist es wichtig, daß die Kühlung aller Vorrichtungen ähnlich ist, um eine Ähnlichkeit der elektrischen Arbeitsweise zu erhalten. Dementsprechend ist die Konstruktion und Anordnung der Säulen 118 auf beiden Seiten der Grundplattenöffnung 86 gleich. Ähnlich ist die Strömung von Kühlfluid von dem Einlaß 120 zu dem Auslaß 128 derart konstruiert, daß sie auf beiden Seiten des Schlitzes 86 ähnlich ist. Wenn die Kühlung ähnlich ist, wird es wahrscheinlicher sein, daß die elektrische Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen ähnlich ist.
In Fig. 17 ist auch zu sehen, daß jede der freiliegenden Elektrodenlaschen 30, 36k, 34k, 74k, 76k und 78 kleine Öffnungen in ihren freiliegenden Enden aufweist. Stiftverbinder mit einem rechtwinkligen Querschnitt können durch diese Öffnungen getrieben sein, um eine permanente Verbindung zwischen diesen herzustellen. Andererseits können kurze Stifte permanent in diese Öffnungen eingetrieben sein, wobei die Stifte selbst ein Steckerverbinderstift für einen aufschiebbaren Buchsenverbinder werden.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in unserer anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. EP-A-0 645 815 abgedeckt, die am gleichen Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde.

Claims

Halbleiterschaltvorrichtungsmodul, umfassend ein Gehäuse (46), das eine Grundplatte (44) aufweist und eine Kammer festlegt, mehrere Halbleiterschaltvorrichtungen (18), ein erstes Anschlußelement (34), um geschalteten elektrischen Strom in das Modul zu leiten, und ein zweites Anschlußelement (36), um den geschalteten elektrischen Strom aus dem Modul herauszuleiten, wobei beide Anschlußelemente einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Anschlußelement (34, 36) zylindrische Körperabschnitte, die konzentrisch um eine Achse herum angeordnet sind, und Flansche (34a, 36a) aufweisen, die sich radial in bezug auf die Achse nach außen erstrecken, wobei der Körperabschnitt und der Flansch des ersten und des zweiten Anschlußelements durch ein Isolierelement (54) eng voneinander getrennt sind, das einen Körperabschnitt und einen Flansch aufweist, so daß im Betrieb der Fluß des geschalteten Stromes in den Anschlußelementen (34, 36) im wesentlichen gleich jedoch in der entgegengesetzten Richtung erfolgt und im wesentlichen die kombinierte Induktivität der beiden Anschlußelemente neutralisiert; daß die Schaltvorrichtungen (18) auf individuellen Substraten (12) befestigt sind, die wiederum auf der Grundplatte (44) radial außerhalb und in der Nähe der Flansche (34a, 36a) des ersten und des zweiten Anschlußelements (34, 36) befestigt sind; und daß Eingangs- und Ausgangsbereiche der Schaltvorrichtungen (18) elektrisch an die Flansche (34a, 36a) des ersten und des zweiten Anschlußelements (34, 36) durch elektrische Verbindungen (14a, 36a), gekoppelt sind, die eng beabstandet sind und sich radial in bezug auf die Achse erstrecken, so daß der Fluß des geschalteten Stromes in den elektrischen Verbindungen (14a, 36a) die Induktivität der elektrischen Verbindungen im wesentlichen neutralisiert.
2. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 1, wobei jeder Flansch (34a, 36a) ein radial nach außen gerichteter Umfangsflansch ist.
3. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flansch (34a, 36a) an mindestens einem der Anschlußelemente mehrere Flanschsegmente umfaßt.
4. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der zylindrische Abschnitt des äußersten Anschlußelements der Anschlußelemente mindestens eine radiale Vergrößerung (37) umfaßt, die zur Anbringung an einen Leiter eines Busses ausgebildet ist.
5. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 4; wobei das äußerste Anschlußelement mehrere radiale Vergrößerungen (37) umfaßt, die im wesentlichen symmetrisch um den zylindrischen Abschnitt des äußersten Anschlußelementes herum angeordnet sind.
6. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer mehrere Halbleiterschaltvorrichtun gen mit isoliertem Gate (10) umfaßt, die radial um die Anschlußflansche herum angeordnet sind.
7. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 6, wobei die Halbleiterschaltvorrichtungen mit isoliertem Gate Bipolartransistoren mit isoliertem Gate sind und einen Einzelschalter umfassen.
8. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 7, wobei die Halbleiterschaltvorrichtungen einen Doppelschalter umfassen.
9. Halblleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 8, umfassend: einen zusätzlichen koaxialen, mit einem Flansch versehenen Anschluß zur Verbindung mit einer ersten Gruppe Halbleiterschaltvorrichtungen, die einen der Schalter bildet, und ein Gate-Anschlußmittel, einen Gate-Leiterbus und ein Bus-Vorrichtung-Verbindungsmittel für die erste Gruppe Halbleiterschaltvorrichtungen und für eine zweite Gruppe Halbleiterschaltvorrichtungen, die den zweiten Schalter bildet.
10. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Halbleiterschaltvorrichtungen mit isoliertem Gate (10) angepaßte Chips sind, wobei jeder Chip auf einem separaten Substrat angeordnet ist, wobei die Substrate symmetrisch um die Anschlußflansche herum angeordnet und von den Anschlußflanschen beabstandet sind.
11. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 10, wobei jedes Substrat aus einem Wafer aus dielektrischem Material gebildet ist, der auf seinen entgegengesetzten Seiten metallisiert ist.
12. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Kammer ein Schaltkreismuster umfaßt, das die radiale Anordnung von Vorrichtungen mit isoliertem Gate umgibt, wobei das Schaltkreismuster (50) ein Gate-Leitermuster (30), ein Eingangs-Kelvin-Leitermuster (34) und ein Ausgangs-Kelvin-Leitermuster (36) umfaßt.
13. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 12, wobei das Schaltkreismuster (50) mindestens einen trimmbaren Widerstand (32) in Reihe mit einem Verbinder mit einer Gate-Elektrode auf einer der Halbleiterschaltvorrichtungen mit isoliertem Gate (10) umfaßt, um an die Vorrichtungen (10) angelegte Gate-Spannungen anzupassen.
14. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 13, wobei das Schaltkreismuster ein Dickfilmmuster (50) ist und einen trimmbaren, gedruckten Dickfilmwiderstand (32) in Reihe mit einem Verbinder mit jeder der Halbleiterschaltvorrichtungen mit isoliertem Gate (10) umfaßt, der dazu dient, ein Mittel bereitzustellen, um die Gate- Spannung für jede der Vorrichtungen auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, wenn eine Voreinstellungsspannung an den Gate-Leiter des Schaltkreismusters angelegt wird.
15. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die koaxialen Anschlußelemente (34, 36) eine Unterbaugruppe umfassen, die an der Grundplatte befestigt ist, wobei mindestens einer der koaxialen Anschlüsse(36) eine Gewindebohrung zur Anbringung eines elektrischen Busleiters umfaßt, wo bei die Grundplatte eine Ausnehmung umfaßt und eine Oberfläche der Unterbaugruppe, welche die Grundplatte berührt, einen komplementären Vorsprung (56c) umfaßt, der sich in die Ausnehmung einfügt, um eine mechanische Verriegelung gegen eine Drehung der Unterbaugruppe vorzusehen.
16. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die koaxialen Anschlußelemente durch einen dielektrischen Kunststoffabstandshalter (54) beabstandet sind, der einen zylindrischen Abschnitt und einen mit einem Flansch versehenen Abschnitt umfaßt, wobei der dielektrische Kunststoffabstandshalter und die koaxialen Anschlußelemente eine geformte einheitliche Unterbaugruppe bilden.
17. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das innerste Anschlußelement ein integrales Befestigungsbolzenmittel (56) umfaßt.
18. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 17, wobei der zylindrische Abschnitt des innersten Anschlußelements der Anschlußelemente hohl ist und an seinen beiden Enden Öffnungen umfaßt, wobei eine der Öffnungen benachbart zu der oder einer Grundplatte (44) des Moduls liegt und derart ausgebildet ist, daß sie einen Befestigungsbolzenkopf (58) eines Befestigungsbolzens des Moduls aufnimmt, die andere Öffnung kleiner als der Bolzenkopf ist und derart ausgebildet ist, daß sie im Gebrauch ein Werkzeug zur Zusammenwirkung mit dem Bolzenkopf aufnimmt, und die Grundplatte eine Öffnung (68) umfaßt, um einen Schaft des Bolzens aufzunehmen.
19. Halbleiterschaltvorrichtungsmodul nach Anspruch 18, das eine federnde Scheibe umfaßt, die an den Befestigungsbolzen gekoppelt ist und derart ausgebildet ist, daß sie eine vorbestimmte Klemmkraft zwischen der Grundplatte des Modulgehäuses und einem Modulträger aufrechterhält, wenn der Bolzen an dem Modulträger befestigt ist.