Anschlussrahmen für ein Halbleiterbauelement, Schaltungsanordnung mit einem Anschlussrahmen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anschlussrahmen für zumindest ein Halbleiterbauelement und eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem genannten Anschlussrahmen. Es gibt Schaltungsanordnungen mit Anschlussrahmen (auf Englisch „leadframe") , die bspw. aus gestanzten Metallblechen bestehen und als lötbare metallische Schaltungsträger zur mechanischen Befestigung von Halbleiterbauelementen, insb. von Nacktchips (gehäuselosen Halbleiterchips) , sowie zur Herstellung elekt- rischer Verbindungen zu diesen Halbleiterbauelementen ausgebildet sind. Die Halbleiterbauelemente werden direkt auf den Anschlussrahmen gelötet und über die Lötverbindungen mit den Anschlussrahmen direkt elektrisch verbunden. Elektrische Verbindungen von diesen Halbleiterbauelementen zu den elekt- rischen Komponenten der Schaltungsanordnungen außerhalb der Anschlussrahmen werden in der Regel über Bondverbindungen hergestellt (Chipbonden) . Aufgrund der Anfälligkeit gegenüber Erschütterungen und Materialalterungen sind die Bondverbindungen eine der Hauptursachen für die Ausfälle der Schal- tungsanordnungen .

Außerdem nehmen Steueranschlüsse von Schaltungsanordnungen einen zusätzlichen Bauraum in Anspruch und machen zudem die Schaltungsanordnungen komplexer.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Schaltungsanordnungen, insb. hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Baugröße bzw. der Baukosten, besser zu machen. Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un ^¬ teransprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Anschlussrahmen für ein Halbleiterbauelement bereitgestellt. Der Anschluss ^¬ rahmen umfasst eine Aussparung, die durchgehend oder auch nicht durchgehend geformt ist. Der Anschlussrahmen umfasst ferner ein elektrisch leitendes Anschlusselement zur Herstellung elekt ^¬ rischer Verbindung zu dem Halbleiterbauelement. Das An ^¬ schlusselement ist dabei (zumindest teilweise) in der Aussparung angeordnet. Der Anschlussrahmen umfasst ferner ein Isolierelement, das ebenfalls in der Aussparung angeordnet ist und das Anschlusselement mit dem Anschlussrahmen mechanisch verbindet und zugleich von dem Anschlussrahmen elektrisch isoliert. Dabei ist der Anschlussrahmen insb. elektrisch leitend ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metallle ^¬ gierung, wie z. B. Kupfer, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Bond ^¬ verbindung, welche die auf den Anschlussrahmen angeordneten Halbleiterbauelementen mit außerhalb vom Anschlussrahmen befindlichen Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnungen elektrisch verbinden und somit sich über weite Distanzen spannen, aufgrund der Erschütterungen der Schaltungsanordnung und der damit verbundenen mechanischen Schwingungen zwischen dem Anschlussrahmen und den externen Schaltungskomponenten starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Diese mechani- sehen Beanspruchungen führen dazu, dass die Bondverbindungen schnell altern und somit zu Bruch gehen bzw. sich von den Kontaktstellen lösen.

Zudem beanspruchen derartige Bondverbindungen sowie entspre- chende Anschlüsse zur Herstellung elektrischer Verbindungen von den Bondverbindungen zu den externen Schaltungskomponenten einen nicht unwesentlichen Bauraum, was wiederum negativ auf die Baugröße der Schaltungsanordnung auswirkt. Um die oben aufgelisteten Nachteile zu vermeiden, wurde im Rahmen dieser Erfindung der oben beschriebene Anschlussrahmen weiterentwickelt, wobei die elektrischen Verbindungen von dem Anschlussrahmen bzw. von den auf dem Anschlussrahmen ange- ordneten Halbleiterbauelementen über die elektrisch leitenden Anschlusselemente hergestellt werden, die mechanisch wesentlich stabiler als die zuvor genannten Bondverbindungen sind und zudem wesentlich kompakter als die zuvor genannten Anschlüsse zur Herstellung elektrischer Verbindungen von den Bondverbindungen zu den externen Schaltungskomponenten, die in der Regel am Rand der Anschlussrahmen geschweißt werden.

Dabei können die Anschlusselemente einen Einpresspin (auf Englisch „Press-fit pin") umfassen bzw. als ein Einpresspin ausgebildet sein. Die elektrischen Verbindungen von dem Anschlussrahmen bzw. von den Halbleiterbauelementen zu den außerhalb von dem Anschlussrahmen befindlichen Schaltungskomponenten können über diese stabileren Anschlusselemente her- gestellt werden . Die unmittelbaren elektrischen Verbindungen von den Halbleiterbauelementen zu den auf demselben Anschlussrahmen angeordneten Anschlusselementen können weiterhin mittels der Bondverbindungen hergestellt werden, die sich über kurze Distanzen zu spannen brauchen und somit wesentlich stabiler und schwingungsresistenter sind. Zudem sind diese Bondverbindungen nicht den mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die durch die mechanischen Schwingungen zwischen dem Anschlussrahmen und den externen Schaltungskomponenten verursacht werden. Damit sind die Schaltungsanordnungen stabiler und zuverlässiger.

Die Anschlusselemente (bspw. Einpresspins) können zudem auf dem Anschlussrahmen flexibel überall dort positioniert werden, wo freie Bauräume, wie z. B. Zwischenräume zwischen zwei Schal ^¬ tungskomponenten auf dem Anschlussrahmen, zur Verfügung stehen. Dadurch können die vorhandenen Bauräume effektiver ausgenutzt werden und folglich kann die Baugröße der Schaltungsanordnungen reduziert werden. Zudem lässt sich die Komplexität der An ^¬ schlussrahmen dank der oben genannten Flexibilität reduzieren. Da die Anschlusselemente zudem relativ frei dimensioniert werden können, können diese auch niederinduktiv ausgebildet werden. Damit ist eine, insb. hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Baugröße bzw. der Baukosten, bessere Schaltungsanordnung ge- schaffen .

Das Isolierelement weist vorzugsweise einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum auf, in dem ein Einlegeelement angeordnet ist, das das Isolierelement und das Anschlusselement miteinander mechanisch verbindet.

Vorzugsweise ist das Einlegeelement elektrisch leitend aus ^¬ geführt, um das Halbleiterbauelement mit dem Anschlusselement elektrisch verbinden zu können.

Das Isolierelement umfasst ferner einen Bodenbereich, der den Hohlraum des Isolierelements einseitig abschließt und das Anschlusselement von dem Anschlussrahmen elektrisch isoliert.

Der Bodenbereich kann bspw. aus einem Kunststoff bestehen und dient zum Schutz des Anschlussrahmens vor einer mechanischen Beschädigung durch das Anschlusselement und zur Einhaltung einer minimalen Kriechstromdistanz zwischen dem stromführenden Anschlusselement und dem elektrisch leitenden und ggfs. ebenfalls stromführenden Anschlussrahmen.

Das Einlegeelement ummantelt vorzugsweise einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum, in dem das Anschlusselement zumindest teilweise angeordnet ist und mit dem Einlegeelement elektrisch leitend und mechanisch verbunden ist. Insb. ist das An ^¬ schlusselement mit dem Einlegeelement form- und/oder kraft ^¬ schlüssig verbunden.

Das Einlegeelement umfasst einen zylindermantelförmigen Ab ^¬ schnitt, der den zylinderförmigen Hohlraum ummantelt, und eine sich daran anschließende, in radialer Richtung weisende

Anformung, die eine elektrisch leitende Kontaktfläche aufweist, die zur elektrischen Kontaktierung einer Bondverbindung von dem Einlegeelement zu dem Halbleiterelement dient. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schal ^¬ tungsanordnung bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung umfasst zumindest ein Halbleiterbauelement und zumindest einen zuvor beschriebenen Anschlussrahmen, wobei das zumindest eine

Halbleiterbauelement auf der Oberfläche des zumindest einen Anschlussrahmen angeordnet ist und über eine Bondverbindung mit dem Anschlusselement des zumindest einen Anschlussrahmens elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung zumindest zwei Anschlussrahmen, die jeweils zum Tragen von zumindest einem Halbleiterbauelement und zur Herstellung von elektrischer Verbindung zu diesem zumindest einen Halbleiterbauelement ausgebildet sind. Dabei sind die beiden Anschlussrahmen insb. elektrisch leitend ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Kupfer, einer Kupfer- oder einer Aluminiumlegierung.

Die beiden Anschlussrahmen weisen jeweils eine Aussparung auf. Die beiden Aussparungen erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen schlitzförmig bis zu einem Rand der jeweiligen Anschlussrahmen .

Die Schaltungsanordnung umfasst ferner ein elektrisch leit- endendes Anschlusselement zur Herstellung elektrischer Verbindung zu den zumindest zwei Halbleiterbauelementen, die auf den Oberflächen der jeweiligen Anschlussrahmen verteilt angeordnet sind. Das Anschlusselement ist dabei vorzugsweise im Wesent ^¬ lichen stabförmig ausgebildet und in einer der beiden Aus- sparungen angeordnet.

Die Schaltungsanordnung umfasst ferner ein elektrisch isolierendes Isolierelement, das in den beiden Aussparungen der zumindest zwei Anschlussrahmen angeordnet ist und sich von einer der beiden Aussparungen zu der anderen der beiden Aussparungen erstreckt. Das Isolierelement isoliert das Anschlusselement von den zumindest zwei Anschlussrahmen elektrisch und verbindet vorzugsweise zugleich das Anschlusselement und die zumindest zwei Anschlussrahmen körperlich bzw. mechanisch miteinander.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen An- schlussrahmens sind, soweit im Übrigen auf die zuvor genannte Schaltungsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung anzusehen.

Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Er- findung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Abschnitt einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 in einer schematischen Darstellung einen seitlichen

Abschnitt der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung entlang einer Schnittlinie AA;

Figur 3 in einer schematischen Draufsicht einen Abschnitt einer

Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 1 zeigt einen Abschnitt einer Schaltungsanordnung SA eines Inverters zur Bereitstellung von Phasenströmen für einen in der Figur nicht dargestellten Elektromotor in einer schrägen Vo- gelperspektivdarStellung . Die Schaltungsanordnung SA umfasst drei Anschlussrahmen AR, die nebeneinander auf einem Kühlkörper KK angeordnet sind und über eine Isolationsschicht IL von dem Kühlkörper KK elektrisch isoliert sind. Die Anschlussrahmen AR sind jeweils aus einem Metallblech gestanzt und sind somit elektrisch leitend. Auf jeweiligen von dem Kühlkörper KK abgewandten Oberflächen OF von zwei der drei Anschlussrahmen AR sind jeweils drei Halbleiterschalter HB angeordnet und jeweils über eine Lötfläche mit den jeweiligen Anschlussrahmen AR elektrisch leitend und mechanisch verbunden.

Dabei sind die Halbleiterschalter HB als gehäuselose MOSFET's (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Nacktchips) ausgebildet und über die jeweiligen Source-Anschlüsse auf den Oberflächen OF der jeweiligen Anschlussrahmen AR oberflä- chenkontaktiert und mit den jeweiligen Anschlussrahmen AR elektrisch verbunden.

Auf den gleichen Oberflächen OF dergleichen beiden Anschlussrahmen AR sind ferner Einpresspins PF (Anschlusselemente) angeordnet, die jeweils in einer dafür vorgesehenen Aussparung AS auf der Oberfläche OF der jeweiligen Anschlussrahmen AR eingepresst sind.

Die Einpresspins PF sind als metallischen Pins bspw. aus einem Metalldraht, wie z. B. einem Kupferdraht, ausgebildet. Ein Abschnitt der Aussparung AS samt dem darin angeordneten Einpresspin PF ist in Figur 2 detailliert dargestellt. Dabei zeigt Figur 2 einen seitlichen Querschnitt eines der Anschlussrahmen AR entlang der Querschnittlinie AA in Figur 1. Wie in Figur 2 klar zu erkennen ist, weist der Anschlussrahmen AR auf der Oberfläche OF eine durchgehende zylinderförmige Aussparung AS auf, in der ein Isolierelement IS angeordnet und mechanisch (kraftschlüssig) befestigt ist. Das Isolierelement IS besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Kunststoff, und ist im Wesentlichen hohl- zylinderförmig ausgebildet und umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum HR1. Das Isolierelement IS weist einen Bodenbereich BB, der den Hohlraum HR1 einseitig abschließt und von der unter dem Anschlussrahmen AR liegenden Isolierschicht IL räumlich trennt. In dem Hohlraum HR1 des Isolierelements IS ist ein Einlegeelement EE aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. einer Aluminiumlegierung, angeordnet und bspw . durch Einpressen, Fügen oder Umspritzen in den Hohlraum HR1 mit dem Isolierelement IS bzw. dem Anschlussrahmen AR mechanisch (kraftschlüssig) verbunden. Das Einlegeelement EE besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung, und weist eine Form auf, die der Form des Hohlraums HR1 des Isolierelements IS angepasst ist.

Das Einlegeelement EE umfasst einen im Wesentlichen hohlzy- linderförmigen Rundkörper, der einen zylinderförmigen Hohlraum HR2 mantelförmig umschließt. Das Einlegeelement EE umfasst ferner eine Anformung AF, die sich von dem Hohlraum HR2 des Einlegeelements EE weg radial erstreckend an dem Rundkörper des Einlegeelements EE angeformt ist. Die Anformung AF weist eine Kontaktfläche KF auf, auf der eine Bonddraht BD aufgelötet und somit mit dem Einlegeelement EE elektrisch kontaktiert ist. Die Bonddraht BD ist ferner auf einer Kontaktfläche des auf der Oberfläche OF des Anschlussrahmens AR befindlichen Halblei ^¬ terschalters HB aufgelötet und verbindet somit den Halblei ^¬ terschalter HB mit dem Einlegeelement EE elektrisch.

In dem Hohlraum HR2 des Einlegeelements EE ist der Einpresspin PF eingepresst, wobei beim dieser beim Einpressen in den Hohlraum HR2 sich verformt hat und somit mit dem Einlegeelement EE form- bzw. kraftschlüssig stabil verbunden ist (Pressfitverbindung).

Der Bonddraht BD erstreckt sich somit von dem Halbleiterschalter HB zu dem Einlegeelement EE und verbindet den Gate-Anschluss des Hableiterschalters HB mit dem Einlegeelement EE bzw. dem Einpresspin PF elektrisch.

Dabei sind sowohl der Hableiterschalter HB zu das Einlegeelement EE auf der gleichen Oberfläche OF desselben Anschlussrahmens AR und somit zueinander bewegungsfest und schwingungsfrei anordnet. Dadurch wird der Bonddraht BD vor mechanischen Beanspruchungen geschont, welche durch mechanische Schwingungen zwischen dem Anschlussrahmen und den externen Schaltungskomponenten verursacht werden. Folglich altert der Bonddraht BD langsamer als ein Bonddraht einer anfangs genannten Bondverbindung. Zudem lässt sich die Aussparung AS samt dem Einpresspin PF flexibel an einem Ort des Anschlussrahmens AR platzieren, wo schaltungstechnisch am besten geeignet ist und den Bauraum der Schaltungsanordnung SA am wenigsten beansprucht. Dadurch kann die Schaltungsanordnung SA bauraumsparender und mit einer geringen Komplexität gebaut werden.

Die Pressfitverbindung des Einpresspins PF mit dem Anschlussrahmen AR ist im Vergleich zu einer Ultraschall-geschweißten Verbindung einfacher und kostengünstiger herstellbar.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Abschnitt einer weiteren Schaltungsanordnung SA1 mit einem ersten Anschlussrahmen ARl und einem zweiten Anschlussrahmen AR2, die nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Anschlussrahmen ARl, AR2 bestehen aus jeweils einem gestanzten Metallblech und sind somit elektrisch leitend.

Auf jeweiliger Oberfläche OF1, OF2 der jeweiligen gleichen, dem Betrachter der Figur zugewandten Seiten weisen die beiden

Anschlussrahmen ARl, AR2 jeweils eine Aussparung ASl, AS2 auf, die jeweils sich schlitzförmig bis zu einem Rand der jeweiligen Anschlussrahmen ARl, AR2 und in jeweils zueinander zugewandte Richtung erstrecken.

Die Schaltungsanordnung SA1 umfasst ferner ein Einlegeelement EE1 aus einer elektrisch leitenden Metalllegierung, das im Wesentlichen hanteiförmig ausgebildet ist. Das Einlegeelement EE1 ist in den beiden Aussparungen ASl, AS2 angeordnet und erstreckt sich von einer der beiden Aussparungen ASl zu der anderen Aussparung AS2. Dadurch verbindet das Einlegeelement EE1 die beiden Anschlussrahmen ARl, AR2 körperlich und mechanisch miteinander . Das Einlegeelement EE1 greift in die beiden Aussparungen AS1, AS2 formschlüssig ein. Die beiden Aussparungen AS1, AS2 weisen Hinterschneidungen auf, in die insb. das Einlegeelement EE1 formschlüssig eingreift.

Das Einlegeelement EE1 ist mit den beiden Anschlussrahmen ARl, AR2 mittels eines Isolierelements IS1 mechanisch verbunden, das zwischen dem Einlegeelement EE1 und der Innenwand der beiden Aussparungen AS1, AS2 angeordnet ist und das Einlegeelement EE1 mit den beiden Anschlussrahmen ARl , AR2 körperlich und mechanisch verbindet und zugleich von den beiden Anschlussrahmen ARl, AR2 elektrisch isoliert.

Das Einlegeelement EE1 weist an beiden Enden jeweils eine plane Kontaktfläche KF1, KF2 auf, die zur Herstellung elektrischer Verbindungen ausgebildet sind.

An einem Endbereich weist das Einlegeelement EE1 zudem eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung, die einen Hohlraum HR2 zur Aufnahme und zur mechanischen Befestigung (Pressfitverbindung) eines Einpresspins ausbildet ist.

Die Schaltungsanordnung SAl umfasst ferner einen Einpresspin PF aus einem Kupferdraht, der in dem Hohlraum HR2 des Einlege- elements EE1 in einem Pressfit-Vorgang eingepresst ist. Der

Einpresspin PF dient zur Herstellung elektrischer Verbindung von dem Einlegeelement EE1 zu externen Schaltungskomponenten.

Die Schaltungsanordnung SAl umfasst ferner zwei gehäuselosen MOSFET's HB1, HB2 (Nacktchips), die jeweils auf den jeweiligen Oberflächen OF1, OF2 der beiden Anschlussrahmen ARl, AR2 angeordnet und über den jeweiligen Source-Anschluss (in der Figur nicht sichtbar) mittels Lötverbindung mit den jeweiligen Anschlussrahmen ARl, AR2 oberflächenkontaktiert sind.

Die beiden MOSFET's HB1, HB2 sind ferner über den jeweiligen Gate-Anschluss Gl, G2 und mittels jeweils einer Bondverbindung BDI, BD2 mit dem Einlegeelement EE1 und somit mit dem Einpresspin PF elektrisch verbunden. Dabei überspannen die beiden Bondverbindungen BDI, BD2 zwischen den jeweiligen Gate-Anschlüssen und jeweiligen entsprechenden Kontaktflächen KFl, KF2 des Einlegeelements EE1.