DE19630173C2 - Power module with semiconductor components - Google Patents
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Description
Die Erfindung beschreibt ein Leistungsmodul mit Halbleiterbauelementen, insbesondere ein Stromumrichtermodul nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, das für direkte Druckkontakt verbindungen aller Leistungs- und Ansteueranschlüsse mit der äußeren Verschaltung und Kontaktierung geeignet ist. Direkte Druckkontaktverbinder sind aus der Technologie der Herstellung von Halbleitermodulen als Verbindungstechnik hinlänglich bekannt. Leistungsanschlüsse für sehr große Ströme und Stromdichten werden nach dem Stand der Technik als Schraub- oder Druckkontakte stoffbündig oder durch Löten bzw. Schweißen stoffschlüssig ausgeführt. Die Integration von passiven Bauelementen, wie sie für die Komplettierung der elektronischen Schaltung gleichfalls erforderlich sind, ist wegen deren stark temperaturabhängigen Verhaltens nach dem Stand der Technik bisher kaum praktikabel.The invention describes a power module with semiconductor components, in particular a Power converter module according to the preamble of claim 1, which for direct pressure contact Connections of all power and control connections with the external connection and Contacting is suitable. Direct pressure contact connectors are based on the technology of Manufacture of semiconductor modules well known as connection technology. Power connections for very large currents and current densities are according to the state of the art Technology as screw or pressure contacts, flush with the material or by soldering or welding cohesive. The integration of passive components, such as those for the Completion of the electronic circuit are also necessary because of it strongly temperature-dependent behavior according to the prior art has so far hardly been practicable.
Die Kontaktsicherheit von Leistungsmodulen ist bei Dauer- oder Wechsellastbetrieb von entscheidender Bedeutung für die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung. Die äußeren Anschlüsse müssen bei wechselnden thermischen und elektrischen Belastungen immer einen sicheren Kontakt zu den internen Kontaktstellen aller Anschlüsse der Schaltungsanordnung gewährleisten. Bei stoffschlüssigen Verbindungen wird durch das "Aufgehen" der Kontaktstellen und bei stoffbündigen Kontakten durch das Erlahmen der Druckkräfte eine Funktionsstörung des gesamten Moduls in realer Zeit verursacht. Zur Erzielung einer höheren Lebensdauer sind aus der Literatur zu dieser Problematik viele Beschreibungen bekannt. Um das Erreichen einer unbegrenzten Lebensdauer wird gerungen. The contact reliability of power modules is in the case of continuous or alternating load operation crucial for the functional reliability of the circuit arrangement. The outer Connections must always be one with changing thermal and electrical loads Secure contact to the internal contact points of all connections of the circuit arrangement guarantee. In the case of integral connections, the "opening" of the Contact points and in the case of flush-fitting contacts by the relaxation of the compressive forces Malfunction of the entire module caused in real time. To achieve a higher Many descriptions of the lifespan of this problem are known from the literature. Around the struggle to achieve an unlimited lifespan.
Zur Erzielung höchster Packungsdichten in Modulen sind zumindest teilweise Druckkontakte für einzelne Schaltungsverbindungen zu realisieren und zum Erreichen einer großen Lebensdauer erforderlich. Die Technologie der Druckkontaktierung ist bedingt durch die Erfordernisse der Hermetisierung gegenüber der Atmosphäre relativ jung und in jüngster Zeit durch Schaffen aller Voraussetzungen für eine praktizierbare Technik relevant.To achieve the highest packing densities in modules, there are at least some pressure contacts for individual circuit connections and to achieve a large one Lifetime required. The technology of pressure contacting is due to the Hermeticization requirements relative to the atmosphere are relatively young and recent relevant by creating all the prerequisites for a practicable technique.
In DE 43 10 446 C1 wird ein Leistungsmodul mit Kühlbauteilen vorgestellt, das bei doppelseitigem Aufbau druckkontaktiert ist. Hier werden zwei spiegelbildlich angeordnete Schaltungsanordnungen mittels mechanischer Spannelemente lösbar schaltungsgerecht verbunden. Die einzelnen Elemente des Aufbaus stellen den Stand der mit der vorliegenden Erfindung vergleichbaren Technik dar. Die Erfahrungen einer solchen Anordnung waren Grundlage der eigenen Aufgabenstellung.In DE 43 10 446 C1 a power module with cooling components is presented, which at double-sided structure is pressure-contacted. Two mirror images are arranged here Circuit arrangements by means of mechanical clamping elements releasably suitable for the circuit connected. The individual elements of the structure represent the state of the present Invention comparable technology represents. The experience of such an arrangement were Basis of your own task.
In DE 35 08 456 A1 wird ein Druckkontaktaufbau in seiner Anwendung bei der Herstellung von Leistungshalbleitermodulen beschrieben. Durch Verschraubungen wird die in dem Gehäuse vorhandene innere Spannkraft zum Drücken der Isolierkeramik bzw. der Leistungshalbleiter auf die Kühlfläche herangezogen. Das Nachlassen der Spannkraft des Gehäuses als Element des Druckaufbaues spricht gegen eine lange Lebensdauer der so aufgebauten Module.DE 35 08 456 A1 describes a pressure contact structure in its application in manufacture described by power semiconductor modules. By screwing the in the Housing existing internal clamping force for pressing the insulating ceramic or Power semiconductors used on the cooling surface. The easing of the tension of the Housing as an element of the pressure build-up speaks against a long lifespan of the like assembled modules.
In DE 91 13 498 U1 wird ein als Brückenelement ausgebildetes Gehäuse zum Druckaufbau verwendet. Die in einzelnen Teilbezirken des Brückenelementes unterschiedlichen Masseverteilungen können ein unterschiedliches Fließverhalten bei Wechselbelastung zeigen, wodurch die eingestellte Druckkraft in einzelnen Teilbezirken des Modulaufbaus verändert wird, was negative Wirkungen auf die Zuverlässigkeit haben kann.DE 91 13 498 U1 describes a housing designed as a bridge element for building up pressure used. The different in individual sub-areas of the bridge element Mass distributions can show a different flow behavior under alternating loads, whereby the set pressure force changes in individual sub-areas of the module structure becomes what can have negative effects on reliability.
DE 28 49 418 C2 zeigt einen Verbinder, der eine elektronische Baueinheit unter Druck an eine Leiterplatte festlegen kann. Dabei sind zur elektrischen Kontaktierung Druckfedern vorgesehen. Die so hergestellte Baueinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusedeckel über Scharniere mit dem Gehäuse verbunden ist.DE 28 49 418 C2 shows a connector which presses an electronic assembly onto a PCB can set. There are compression springs for electrical contacting intended. The assembly thus produced is characterized in that the housing cover is connected to the housing via hinges.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Modul hoher Leistungsdichte in hybridem Schaltungsaufbau und Druckkontaktausführung mit hoher Lebensdauer und Zuverlässigkeit vorzustellen, dabei können in dem Modul neben den Leistungsschaltern weitere aktive und passive elektronische Bauelemente integriert sein.The object of this invention is an electronic module with a high power density in hybrid circuit design and pressure contact design with a long service life and To present reliability, in addition to the circuit breakers, the module can active and passive electronic components can be integrated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the measures of the characterizing part of the Claim 1 solved, preferred further developments are described in the subclaims.
Eine einfache und zerstörungsfrei wiederholbare Kontaktierung ist für Bauteile und Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse in Stromrichtern zu bevorzugen. Zerstörungsfrei lösbare Kontaktierungen können nur stoffbündig hergestellt werden. Bei dieser Verbindungstechnik müssen für eine Schaltungseinheit sichere Kontakte gegeben sein. Einerseits werden elektrisch sichere Kontakte an allen Kontaktstellen benötigt, es muß bei der Montage folglich ein gleichmäßiger Druckaufbau erreicht werden, also eine gute Druckverteilung auf alle Druckkontaktstellen erfolgen. Andererseits muß bei der Verwendung von federnden Verbindungen an jeder einzelnen Kontaktstelle für ein dynamisches Verhalten der einzelnen gedrückten Kontaktstellen und der Druckkontaktelemente bei unterschiedlicher thermischer und elektrischer Belastung gesorgt werden.A simple and non-destructive repeatable contact is for components and Preferred circuit arrangements of the power class in converters. Non-destructive Detachable contacts can only be made flush with the fabric. At this Connection technology must be safe for a circuit unit. On the one hand, electrically safe contacts are required at all contact points Assembly consequently a uniform pressure build-up can be achieved, i.e. a good one Pressure is distributed to all pressure contact points. On the other hand, when using of resilient connections at each individual contact point for dynamic behavior of the individual pressed contact points and the pressure contact elements at different thermal and electrical stress.
Beide Verbindungsarten dürfen bei Dauer- oder Wechselbelastung nicht ermüden, müssen also in der Konstruktion so gewählt sein, daß alle Aufbauelemente gleichartig in ihrer Lebenserwartung sind und in den Materialeigenschaften ein stabiles Langzeitverhalten unter Wechselbelastung ausweisen. In beiden Kontaktierarten ist es immer notwendig, die federnden Elemente in den Toleranzbereichen an allen Verbindungsstellen mit dem erforderlichen Anpreßdruck bei allen Betriebszuständen so zu gestalten, daß jede einzelne Kontaktstelle sicher kontaktiert wird und nicht durch sich aufbauende überhöhte Druckbelastungen an einzelnen Kontaktstellen eine mechanische Zerstörung des Aufbaus erfolgt.Both types of connection must not tire with permanent or alternating loads, so they must be chosen in the construction so that all structural elements are similar in their Life expectancy and the material properties are stable under long-term behavior Show alternate load. In both types of contact, it is always necessary to use the springy one Elements in the tolerance ranges at all connection points with the required Design contact pressure in all operating conditions so that each individual contact point is contacted safely and not by excessive pressure loads that build up individual contact points, the structure is destroyed mechanically.
Die erfindungsgemäßen Module für Leistungshalbleiterbauelemente kombinieren in sich die bekannten Kontaktierungsverfahren, die Einsatzgebiete werden erfindungsgemäß bis hin zur Leistungsklasse ausgedehnt. Der Erfindungsgedanken soll anhand der nachfolgend in Figuren veranschaulichten beispielhaften Aufbauten von Stromumrichtern näher erläutert werden. The modules according to the invention for power semiconductor components combine the Known contacting method, the areas of application according to the invention up to Performance class extended. The idea of the invention should be based on the following figures illustrated exemplary structures of power converters are explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine Skizze der drei Hauptaufbauteile eines erfinderischen Moduls. Fig. 1 shows a sketch of the three main structural parts of an inventive module.
Fig. 2 skizziert eine zweite Variante eines erfinderischen Moduls. Fig. 2 outlines a second variant of an inventive module.
Fig. 3 bildet das Gehäuse eines erfinderisches Modul ab. Fig. 3 shows the housing of an inventive module.
Fig. 4 skizziert den Querschnitt eines erfinderisches Druckstückes. Fig. 4 outlines the cross section of an inventive pressure piece.
Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Gehäuses. Fig. 5 shows the cross section of a housing.
Fig. 6 erläutert den Querschnitt eines erfinderisches Modul. Fig. 6 illustrates the cross-section of an innovative module.
Fig. 1 zeigt eine Skizze der drei Hauptaufbauteile eines erfinderischen Moduls. Auf ein bestücktes Modulplättchen (1) wird ein bestücktes Gehäuse (20) gesetzt, das mittels verschraubtem Druckstück (30) zur Kontaktierung der Schaltungsanordnung des Modulplättchens mit einer entsprechend strukturierten Leiterplatte führt. Die nicht dargestellte Leiterplatte liegt dabei zwischen Gehäuse (20) und Druckstück (30). Fig. 1 shows a sketch of the three main structural parts of an inventive module. An assembled housing ( 20 ) is placed on an assembled module plate ( 1 ), which leads by means of a screwed pressure piece ( 30 ) for contacting the circuit arrangement of the module plate with a correspondingly structured printed circuit board. The circuit board, not shown, lies between the housing ( 20 ) and the pressure piece ( 30 ).
Zur Herstellung des Modulplättchens (1) dient erfindungsgemäß eine Isolierkeramik (2) als Aufbauplatte für die gesamte Schaltungsanordnung des Moduls, sie verfügt, wie hier dargestellt, über mindestens eine zentralgelegene runde Öffnung (4). In den Randbereichen (6) der Durchbohrung und der Außenkontur ist diese Keramik (2), die vorzugsweise aus Aluminiumoxid hergestellt wurde, nicht metallisiert. Alle übrigen Flächen tragen ein- oder zweiseitig Matallkaschierungen (8), vorzugsweise aus Kupfer, diese sind ein- oder beidseitig nach den elektrischen Isolationserfordernissen der Schaltungsanordnung strukturiert oder unstrukturiert.An insulating ceramic (2) used for the production of the module plate (1) according to the invention as a structure plate for the entire circuit arrangement of the module, it has, as shown here, at least a centrally located round opening (4). This ceramic ( 2 ), which was preferably made of aluminum oxide, is not metallized in the edge areas ( 6 ) of the through-bore and the outer contour. All other surfaces have one or two-sided metallic cladding ( 8 ), preferably made of copper, these are structured or unstructured on one or both sides according to the electrical insulation requirements of the circuit arrangement.
Auf die schaltungsgerecht strukturierte Metallkaschierung (8) der Isolierkeramik (2) werden alle für den Schaltungsaufbau erforderlichen Bauelemente, wie Leistungstransistoren (10), Dioden (12), Thermistoren (14) und Shunts oder andere elektronische Bauteile (16) aufgebracht. Vorzugsweise werden die vorgenannten Bauteile nach dem Stand der Technik gelötet und sodann gebondet (18). Erfindungsgemäß sind auf der Isolierkeramik (2) nach dem Aufbau der elektronischen Bauteile (10 bis 16) noch genügend Flächen der strukturierten Metallkaschierung (8) vorhanden, um die Sekundärkontaktierung der äußeren Anschlüsse vornehmen zu können. All of the components required for the circuit structure, such as power transistors ( 10 ), diodes ( 12 ), thermistors ( 14 ) and shunts or other electronic components ( 16 ), are applied to the metal lamination ( 8 ) of the insulating ceramic ( 2 ), which is structured in accordance with the circuit. The aforementioned components are preferably soldered according to the prior art and then bonded ( 18 ). According to the invention, after the electronic components ( 10 to 16 ) have been built up, there are still sufficient areas of the structured metal cladding ( 8 ) on the insulating ceramic ( 2 ) in order to be able to make secondary contact with the external connections.
Auf das Modulplättchen (1) wird das erfinderische Gehäuse (20) passgenau und orientiert aufgesetzt. Das Gehäuse wurde vor der Montage mit allen Druckkontaktfedern (22) bestückt, diese können in entsprechenden Gehäuseausbildungen eingerastet sein. Es ist sehr einfach, speziell angepaßte Gehäuseformen für die geplanten Kontaktfelder der Isolierkeramik zu erstellen, nachdem die Lage der Druckkontaktfedern (22) für die Schaltungsbedürfnisse entsprechend festgelegt ist. Das ist abhängig von den realisierten Sekundärverbindungselementen, beispielhaft der Lage der Leiterplatten in Relation zu dem Gehäuse (z. B. senkrecht oder parallel zur Oberfläche der Isolierkeramik).The inventive housing ( 20 ) is placed precisely and oriented on the module plate ( 1 ). Before assembly, the housing was fitted with all pressure contact springs ( 22 ), which can be snapped into the corresponding housing designs. It is very easy to create specially adapted housing shapes for the planned contact fields of the insulating ceramic after the position of the pressure contact springs ( 22 ) has been determined accordingly for the circuit requirements. This depends on the secondary connection elements implemented, for example the position of the circuit boards in relation to the housing (e.g. perpendicular or parallel to the surface of the insulating ceramic).
Das Gehäuse (20) besteht aus einem druck- und thermostabilen elektrischen Isolierstoff und sitzt nach der Montage passgenau auf dem nicht metallisierten Rand der Isolierkeramik (2) auf. Dabei ist der Gehäuserand (26) so konstruiert, daß er die Isolierkeramik umfängt, jedoch auch bei voller Druckbelastung nicht über die Kanten der unteren Isolierkeramikfläche hinausragt. Dadurch wird gewährleistet, daß bei der Anwendung des, mit dem vorgeschriebenen Drehmomentes montierten, Moduls bei elektrischem Vollast- Betrieb in jedem Falle das als Grundplatte fungierende Modulplättchen (1) einen direkten und flächigen Wärmekontakt, gegebenenfalls mittels einer Wärmeleitpaste nach dem Stand der Technik, zu dem Kühlkörper hat. Zentriert besitzt das Gehäuse eine Ausbildung in Hülsenform (28), die nach dem Aufsetzen, genau wie der Gehäuserand auf dem Keramikrand, passend auf dem nicht metallisierten Rand (6) der Durchführung (4) der Isolierkeramik (2) mit seinen Noppen aufsitzt wodurch die Durchführung (4) in gleicher Weise umfangen wird. Für die spätere Montage des Moduls ist ein Druckstück (30) bei sekundärem parallelem Aufbau von Leiterplatte und Kühlkörper erforderlich. Das Druckstück ist mit einer Justieröffnung (32) versehen, um eine unverwechselbare genaue Montage zu der Lage des Gehäuses (20) mit seiner Justiernoppe (25) zu erreichen. Passgenau zu der mindestens einen Öffnung in dem Modulplättchen (1) und der mindestens einen Hülse (28) des Gehäuses (20) besitzt das Druckstück (30) mindestens eine Durchführungsöffnung (34) für das Befestigungselement (40). Die Durchführungsöffnung (34) ist so konstruiert, daß die erforderlichen Druckkräfte nach dem Verspannen des Moduls sicher aufgefangen werden. Das Druckstück (30) selbst ist vorzugsweise aus einem stabilen, mit Glasfasern verstärktem isolierenden Kunststoff geformt und geometrisch so gestaltet, daß es zumindest die flächige Ausdehnung der Federelemente (22) überdeckt. The housing ( 20 ) consists of a pressure- and thermostable electrical insulating material and sits on the non-metallized edge of the insulating ceramic ( 2 ) after installation. The housing edge ( 26 ) is constructed in such a way that it encompasses the insulating ceramic, but does not protrude beyond the edges of the lower insulating ceramic surface even under full pressure load. This ensures that when the module mounted with the prescribed torque is used in full-load electrical operation, the module plate ( 1 ), which acts as the base plate, makes direct and flat thermal contact, possibly using a thermal paste according to the prior art the heat sink. Centered, the housing is designed in the form of a sleeve ( 28 ), which, like the housing edge on the ceramic edge, fits on the non-metallized edge ( 6 ) of the feedthrough ( 4 ) of the insulating ceramic ( 2 ) with its knobs, which means that Implementation ( 4 ) is included in the same way. For the later assembly of the module, a pressure piece ( 30 ) is required with a secondary parallel construction of the circuit board and heat sink. The pressure piece is provided with an adjustment opening ( 32 ) in order to achieve an unmistakable precise assembly with respect to the position of the housing ( 20 ) with its adjustment knob ( 25 ). The pressure piece ( 30 ) has at least one lead-through opening ( 34 ) for the fastening element ( 40 ) to match the at least one opening in the module plate ( 1 ) and the at least one sleeve ( 28 ) of the housing ( 20 ). The lead-through opening ( 34 ) is constructed in such a way that the required compressive forces are safely absorbed after the module is clamped. The pressure piece ( 30 ) itself is preferably formed from a stable insulating plastic reinforced with glass fibers and geometrically designed in such a way that it at least covers the area of the spring elements ( 22 ).
Für den Einsatz wird das in Fig. 1 beschriebene Modul durch Vergießen eines Teiles des durch das Modulplättchen (1) und das Gehäuse (20) nach Zusammenfügen gebildeten Hohlraumes mittels eines Weichvergusses aus Silikonkautschuk vorbereitet. Zum Vergießen wird das Gehäuse (20) und das Modulplättchen (1) nach dem Zusammenfügen auf eine den Silikonkautschuk trennende und dichtende Unterlage positioniert, unter Druck gesetzt, mit den gemischten nicht ausgehärteten Komponenten des Zweikomponenten- Silikonkautschuks befühlt und unter Beibehalten des angelegten Druckes ausgehärtet, wodurch der Silikonkautschuk seine technologisch eingestellte Viskosität erreicht und dadurch alle Innenaufbauten hermetisiert und elektrisch voneinander und untereinander isoliert. Im druckfreien Zustand werden die Module in diesem Fertigungsgrad zum Einsatzort verbracht.The module described in FIG. 1 is prepared for use by casting a part of the cavity formed by the module plate ( 1 ) and the housing ( 20 ) after assembly by means of a soft casting made of silicone rubber. For potting, the housing ( 20 ) and the module plate ( 1 ) are placed on a support that separates and seals the silicone rubber, put under pressure, contacted with the mixed uncured components of the two-component silicone rubber and cured while maintaining the applied pressure, whereby the silicone rubber reaches its technologically adjusted viscosity and thereby hermetically seals and internally insulates all interior structures. In the pressure-free state, the modules are brought to the place of use in this degree of production.
Fig. 2 skizziert eine zweite Variante eines erfinderischen Moduls. Für eine sehr große Leistungsdichte sind alle Leistungshalbleiterbauelemente (IO) auf dem Modulplättchen (1) positioniert und durch Bonden (18) schaltungsgerecht untereinander verbunden. Die Isolierkeramik verfügt über zwei Durchbohrungen (4), im übrigen ist der Modulplättchenaufbau analog zu dem unter Fig. 1 beschriebenen. In das Gehäuse (20) sind Druckkontaktfedern (22 in Fig. 1) für die Kontaktierung der Hilfsanschlüsse, wie Gate-, Stromsensor- oder Thermistorkontakte, und eine davon differente Druckkontaktfeder (24) für die Kontaktierung der drei Wechselstromeingänge und der Gleichstromausgänge des dargestellten Umrichters. Fig. 2 outlines a second variant of an inventive module. For a very high power density, all power semiconductor components (IO) are positioned on the module plate ( 1 ) and connected to each other by means of bonding ( 18 ). The insulating ceramic has two through-holes ( 4 ), the rest of the module plate structure is analogous to that described in FIG. 1. In the housing ( 20 ) are pressure contact springs (22 in Fig. 1) for contacting the auxiliary connections, such as gate, current sensor or thermistor contacts, and a different pressure contact spring ( 24 ) for contacting the three AC inputs and the DC outputs of the converter shown .
Zwei Noppen (25) sind in den Ecken des Gehäuses zur Justage der darauf zu positionierenden Leiterplatte, die hier nicht dargestellt ist, und (oder alternativ) zum orientierten Aufsetzen des Druckstückes (30) ausgebildet. Nach dem analog zu Fig. 1 durchgeführten Zusammenfügen und Vergießen mit Silikonkautschuk erfolgt einsatzspezifisch der weitere Aufbau. Auf das Gehäuse (20) wird die nach dem Stand der Technik vorgefertigte und bestückte starre Leiterplatte orientiert aufgelegt. In den meisten Autbauvarianten ist die Leiterplatte aus mehreren Lagen zusammengefügt und teilweise beidseitig mit den für die Schaltung erforderlichen elektonischen Bauteilen versehen. Dabei ist der Teil der unteren Lage der Leiterplatte, der die Fläche des Gehäuses (20) aufliegend überdeckt, ohne Bauelementebestückung. Two knobs ( 25 ) are formed in the corners of the housing for adjusting the circuit board to be positioned thereon, which is not shown here, and (or alternatively) for oriented placement of the pressure piece ( 30 ). After the assembly and casting with silicone rubber, which is carried out analogously to FIG. 1, the further construction takes place in a manner specific to the application. The rigid printed circuit board which is prefabricated and equipped according to the prior art is placed in an oriented manner on the housing ( 20 ). In most car construction variants, the printed circuit board is composed of several layers and partially provided on both sides with the electronic components required for the circuit. The part of the lower layer of the printed circuit board which overlaps the surface of the housing ( 20 ) is without components.
Die mittleren Lagen sind insbesondere für die Gleichstrom-Zwischenkreise in flächiger Ausführung reserviert. Die obere Bestückungslage der Leiterplatte kann insbesondere einseitig kontaktierbare Bauteile in dem Bereich der Deckelfläche enthalten. Dazu sind dann in das Werkzeug zur Herstellung des Druckstückes entsprechend positionierte Erhebungen auszuarbeiten.The middle layers are flat in particular for the DC intermediate circuits Execution reserved. The top assembly layer of the circuit board can in particular be one-sided Contactable components included in the area of the lid surface. Then in that Tool for producing the pressure piece correspondingly positioned elevations to work out.
Durch Befestigung an einem Kühlkörper, der nicht dargestellt wurde, wird das Modul mit der Leiterplatte elektrisch schaltungsgerecht druckkontaktiert. Die Druckfedern verbinden elektrisch zuverlässig alle entsprechenden Kontaktaktstellen des Modulplättchens (1) mit den Kontaktstellen der Leiterplatte. Die Dauerelastizität der Druckfedern (22 in Fig. 1) und Ringfedern (24) sorgen für eine ausgezeichnete Lebensdauer der Schaltungsanordnung und eine sehr gute Wechsellastbeständigkeit.By attaching to a heat sink, which was not shown, the module is electrically pressure-contacted to the circuit board. The compression springs electrically reliably connect all corresponding contact contact points of the module plate ( 1 ) with the contact points of the printed circuit board. The permanent elasticity of the compression springs (22 in Fig. 1) and ring springs ( 24 ) ensure an excellent service life of the circuit arrangement and a very good resistance to alternating loads.
Fig. 3 bildet das Gehäuse (20) eines variierten erfinderischen Moduls aus der Unteransicht ab. Hier ist eine der Justagenoppen (25) teils verdeckt zu sehen. Analog der Fig. 1 werden hier nur Druckkontaktfedern (22) verwendet. Hier ist das auf den Keramikkontaktflächen (8 in Fig. 1) aufsitzende Ende der Feder (22) sichtbar. Dargestellt ist weiterhin im Detail der untere Rand mit seinen plastischen Erhebungen (21) zum Höhenausgleich und zur justierten Auflage auf den Außenrändern (6 in Fig. 1) der Keramik und der hier dargestellten einen Durchführung (28). Die Gehäuseerhebungen (21) sind weiterhin dazu erforderlich, um dem Silikonkautschuk, der über separat dafür vorgesehene Gehäusedurchführungen (27) eingefüllt wird, in flüssiger Phase ein gleichmäßiges Verlaufen in allen Keramikregionen zu ermöglichen, wodurch gleichzeitig eine sichere elektrische Isolation realisiert werden kann. Die Hülse (28) für die Verschraubung des Gehäuses (20 in Fig. 1, 2) ist in ihrer Länge so dimensioniert, daß sie in die Durchbohrung (4 in Fig. 1) der Isolierkeramik (2 in Fig. 1) hinein-, jedoch nicht über die Kühlauflagefläche hinausragt. Sie besitzt für die Isolationsfestigkeit des Moduls eine hervorhebenswerte Rolle. Fig. 3 shows the housing ( 20 ) of a varied inventive module from the bottom view. Here one of the adjustment knobs ( 25 ) can be seen partly hidden. Analogously to FIG. 1, only pressure contact springs ( 22 ) are used here. The end of the spring ( 22 ) seated on the ceramic contact surfaces (8 in FIG. 1) is visible here. Also shown in detail is the lower edge with its plastic elevations ( 21 ) for height compensation and for an adjusted support on the outer edges (6 in FIG. 1) of the ceramic and the one passage ( 28 ) shown here. The housing elevations ( 21 ) are also required in order to enable the silicone rubber, which is filled in via separately provided housing bushings ( 27 ), to run evenly in all ceramic regions in the liquid phase, which at the same time enables reliable electrical insulation to be achieved. The length of the sleeve ( 28 ) for screwing the housing (20 in FIGS. 1, 2) is such that it extends into the through-hole (4 in FIG. 1) of the insulating ceramic (2 in FIG. 1). but does not protrude beyond the cooling surface. It has a prominent role in the insulation strength of the module.
Fig. 4 skizziert den Querschnitt eines erfinderisches Druckstückes (30). Dargestellt ist die Justieröffnung (32) zur orientierten Montage auf der Leiterplatte und der Oberfläche des Gehäuses (20). Zu Isolationszwecken ist die Durchführungsöffnung (34) für die Befestigungselement (40) in der Ausbildung so gestaltet, daß eine Verlängerungshülse (38) vorhanden ist. Deren Länge und Durchmesser ist passgenau auf das Gehäuse (20) abgestimmt. Fig. 4 outlines the cross section of an inventive pressure piece ( 30 ). The adjustment opening ( 32 ) for oriented mounting on the printed circuit board and the surface of the housing ( 20 ) is shown. For insulation purposes, the through opening ( 34 ) for the fastening element ( 40 ) is designed in such a way that an extension sleeve ( 38 ) is present. Their length and diameter are tailored to the housing ( 20 ).
Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Gehäuses (20). Dargestellt ist eine Gehäusedurchführung (23) in der Form einer Hülse für die Aufnahme der Druckkontaktfeder (22 in Fig. 1, 3) und eine Hülse in die die Verlängerung (38 der Fig. 4) mit ihrer Öffnung (34) für die Durchführung des Befestigungselementes (40) zur späteren Befestigung geführt wird. Die Hülse (23) ist am unteren Ende verjüngt, um eine passgenaue Montage der Druckkontaktfeder (22 in Fig. 1, 3) ausführen zu können. Die Erhebungen (21) im Gehäuseunterrand (26) und deren geometrische Ausdehnung sowie eine Justiernoppe (25) sind skizziert. Die Gehäuseoberfläche (29) muß eben und statisch stabil zur Aufnahme der Druckkräfte der Leiterplatte nach der Druckbeauflagung durch die in Fig. 1 dargestellten Befestigungselemente (40) über das Druckstück (30) gestaltet sein. Fig. 5 shows the cross section of a housing ( 20 ). Shown is a housing bushing ( 23 ) in the form of a sleeve for receiving the pressure contact spring (22 in Fig. 1, 3) and a sleeve in the extension (38 of Fig. 4) with its opening ( 34 ) for the implementation of Fastening element ( 40 ) is guided for later attachment. The sleeve ( 23 ) is tapered at the lower end so that the pressure contact spring (22 in FIGS. 1, 3) can be fitted precisely. The elevations ( 21 ) in the lower housing edge ( 26 ) and their geometrical dimensions, as well as an adjustment knob ( 25 ) are outlined. The housing surface ( 29 ) must be flat and statically stable to absorb the pressure forces of the printed circuit board after the pressure application by the fastening elements ( 40 ) shown in FIG. 1 via the pressure piece ( 30 ).
Fig. 6 erläutert den Querschnitt eines erfinderisches Moduls. Das Modulplättchen (1) bestehend aus der Isolierkeramik (2) mit den bestückten Bauelementen (10, 12, 14) befindet sich in gebondetem (18) Zustand. Passgenau überlappt das Gehäuse mit seinen Rändern (26) die Ränder des Modulplättchens und sitzt mit seinen Erhebungen im Gehäuserand (21) auf dem nicht metallisierten Rand (6) der Isolierkeramik (2) auf. Die Druckkontaktfedern (22) und Ringfedern (24) liegen druckfrei auf den entsprechenden Kontaktstellen der Metallkaschierung (8) der Isolierkeramik (2). In dem Hohlraum des Gehäuses können weitere elektrisch nahe an den Modulplättchen zu positionierende Bauelemente oder Spulen (19) befestigt werden, die ihrerseits untereinander und mit anderen Kontakten, über beispielhaft flexible Leiterplatten (17), elektrisch verbunden sind. Thermisch stabile elektrische Bauelemente können so direkt in das Modul eingebaut werden, um z. B. parasitäre Effekte zu minimieren. Fig. 6 explains the cross section of an inventive module. The module plate ( 1 ) consisting of the insulating ceramic ( 2 ) with the assembled components ( 10 , 12 , 14 ) is in the bonded ( 18 ) state. The housing ( 26 ) overlaps the edges of the module plate with a precise fit and sits with its elevations in the housing edge ( 21 ) on the non-metallized edge ( 6 ) of the insulating ceramic ( 2 ). The pressure contact springs ( 22 ) and ring springs ( 24 ) lie without pressure on the corresponding contact points of the metal liner ( 8 ) of the insulating ceramic ( 2 ). Further components or coils ( 19 ) to be positioned electrically close to the module plates can be fastened in the cavity of the housing, which in turn are electrically connected to one another and to other contacts, for example by flexible printed circuit boards ( 17 ). Thermally stable electrical components can thus be installed directly in the module, e.g. B. to minimize parasitic effects.
Die erfinderischen Module arbeiten nach dem Druckkontaktprinzip, die Kühlkörper sind nicht
Bestandteil der erfinderischen Lösung. Sie können später beim Einbau des Moduls zum
Komplettieren hinzugefügt werden. Aus der dargestellten Aufbauweise ergeben sich einige
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
The inventive modules work on the pressure contact principle, the heat sinks are not part of the inventive solution. They can be added later to complete the installation of the module. The construction shown shows several advantages over the prior art:
- 1. Alle kostenmäßig belastenden Kontakte sind lösbar, Auswechselungen einzelner Bauteile können zerstörungsfrei für alle übrigen vorgenommen werden. 1. All costly contacts can be solved, replacing individual components can be made non-destructive to all others.
- 2. Die Federelemente übernehmen neben der direkten elektrischen Kontaktierung außerdem zusammen mit den Gehäuseausbildungen die Funktion eines Druckelementes zum Andrücken des Modulplättchens auf die Kühlfläche.2. In addition to direct electrical contacting, the spring elements also take over together with the housing designs, the function of a pressure element for Press the module plate onto the cooling surface.
- 3. Die elektrische Isolation der Bauteile untereinander und die Hermetisierung gegenüber der Umgebung ist durch einen technologisch einfach zu beherrschenden Prozeß realisierbar.3. The electrical insulation of the components from each other and the hermeticization against the The environment can be realized using a process that is technologically easy to master.
- 4. Die Positionierung aller Bauteile ist ohne störende Hilfsformen in einfacher Weise zuverlässig und präzise möglich.4. The positioning of all components is easy without annoying auxiliary forms reliable and precise possible.
- 5. Durch die Erhebungen (21) in den Gehäuserändern sind gleichmäßige Druckverhältnisse zwischen Bauteil und Kühlkörper realisierbar und die Gehäusetoleranzen werden abgefangen.5. The elevations ( 21 ) in the housing edges make it possible to achieve uniform pressure ratios between the component and the heat sink, and the housing tolerances are absorbed.
- 6. Für senkrecht zur Modulaufbauebene erforderliche Sekundärkontaktierung über eine gesteckte Leiterplatte sind über entsprechend geformte Druckkontaktfedern einfache Lösungsvarianten für solcherart hergestellter Module ohne Druckstück (30) realisierbar.6. For secondary contacting via a plugged-in printed circuit board perpendicular to the module assembly level, simple solution variants for modules produced in this way can be implemented without a pressure piece ( 30 ) by means of appropriately shaped pressure contact springs.
- 7. Eine Gehäusekonstruktion mit Rasterausbildung der Hülsen (23) für die Druckkontakte ermöglicht individuelle Bestückungsvarianten bei einheitlichem Gehäuse.7. A housing construction with a grid design of the sleeves ( 23 ) for the pressure contacts enables individual assembly variants with a uniform housing.
- 8. In das Gehäuse sind weitere Elektrische Bauteile und Funktionsgruppen einbaufähig und über Leiterplatten untereinander und zu den übrigen Anschlüssen kontaktierbar.8. Further electrical components and functional groups can be installed in the housing Contactable with each other and to the other connections via printed circuit boards.
- 9. Durch den Einsatz eines Federmaterials mit geringem Kriechverhalten und einer guten Wärmebeständigkeit, wie z. B. Kupfer- Beryllium- Verbindungen, Kupfer- Zinn- Legierungen oder anderer kaltformbarer elektrisch gut leitender Federmaterialien, sind hochwertige dauerelastische Verbindungen herstellbar.9. By using a spring material with low creep behavior and a good one Heat resistance, such as B. copper-beryllium compounds, copper-tin Alloys or other cold-formable, electrically conductive spring materials high quality permanently elastic connections can be made.
- 10. In die Druckstücke sind Ausnehmungen einarbeitbar, um weitere Bauelemente platzorientiert und kostengünstig kontaktierbar positionieren zu können.10. Recesses can be incorporated into the pressure pieces in order to add further components to be able to position in a space-oriented and cost-effective manner.
- 11. Mit lediglich einem Befestigungselement, insbesondere bei kleinen Modulgrößen wird die funktionelle Sicherheit des Moduls erreicht und es werden alle elektrischen und Wärmekontakt- Verbindungen hergestellt.11. With just one fastener, especially with small module sizes Functional safety of the module is achieved and all electrical and Thermal contact connections made.
- 12. Der Wärmeübergang vom Modul zum Kühlkörper ist sehr günstig, da keine zusätzlichen Wärmeübergangsstellen vorhanden sind.12. The heat transfer from the module to the heat sink is very cheap because there are no additional ones Heat transfer points are present.
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