DE10009171A1 - Stromrichter und sein Herstellverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (1) mit zumindest zwei Halbleitersubstraten (15), von denen jedes zumindest zwei Kontaktflächen (16, 17) aufweist, zwei die Halbleitersubstrate (15) tragende, thermisch leitende Aufnahmeteile (11, 12), die jeweils einen elektrischen Anschluss (B+, B-) aufweisen, einem an einem der Aufnahmeteile (11, 12) ausgebildeten Befestigungsmittel (22) und mit zumindest einem dritten elektrischen Anschluss (U, V, W), der sich dadurch auszeichnet, dass die Aufnahmeteile (11, 12) und die Halbleitersubstrate (15) Stapel (20) bilden, dass die Aufnahmeteile (11, 12) die Halbleitersubstrate (15) zwischen sich aufnehmen und dass zwischen den Halbleitersubstraten (15) ein elektrisch und thermisch leitendes Einlegeteil (18) angeordnet ist, das zumindest den dritten Anschluss (U, V, W) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Herstellung eines Stromrichters.

Stand der Technik

Stromrichter der hier angesprochenen Art sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Sie dienen zum Umformen oder Steuern elektrischer Ener­ gie. Stromrichter können als Gleichrichter, Wech­ selrichter, Umrichter für Gleichstrom und Umrichter für Wechselstrom ausgebildet sein. Entsprechend diesen Ausführungsformen weisen die Stromrichter Stromrichterventile, insbesondere Dioden, Thyristo­ ren, Transistoren, MOSFET's, IGBT's und Triac's auf. Es sind also steuerbare und nicht-steuerbare Stromrichterventile bekannt. Im Kraftfahrzeugbe­ reich werden Stromrichter insbesondere als Gleich­ richter eingesetzt, die die von einem Generator ge­ lieferte Wechselgröße in eine Gleichgröße umsetzen. Hauptsächlich finden Drehstromgeneratoren Verwen­ dung, die mehrere zueinander phasenversetzte Wech­ selspannungen liefern. Der Gleichrichter muss ent­ sprechend mehrpolig ausgebildet sein. Derartige Gleichrichter weisen eine entsprechende Anzahl einzelner, diskreter Leistungsdioden auf, die die Gleichrichterbaugruppe bilden. Diese umfasst zwei Anschlussbleche, von denen eines den positiven und das andere den negativen Spannungsanschluss bilden. Beide Anschlüsse sind gegeneinander elektrisch iso­ liert. In die Bleche können die Dioden mit ihrem Gehäuse eingepresst sein. In der Regel wird das ne­ gative Anschlussblech zur thermischen und elektri­ schen Kontaktierung am Lagerschild des Generators befestigt. Der positive Anschluss weist einen Bol­ zen auf, um die Spannung abgreifen zu können. Für die Kühlung dieses positiven Anschlusses ist dieser als Kühlkörper ausgebildet. Er kann im Luftstrom des Generatorlüfters liegen oder durch thermische Ankopplung mit Hilfe einer Wärmeleitfolie ebenfalls an das Lagerschild des Generators angekoppelt sein.

Bei der thermischen Konzeption einer einzelnen Ein­ pressdiode und des vollständigen Gleichrichters müssen zwei unterschiedliche Betriebsfälle berück­ sichtigt werden. Im Normalbetrieb bei im wesentli­ cher konstanter Last des Generators treten im Strompfad jeder Diode einige zehn Watt Verlustleis­ tung auf, die als Wärme über den negativen und/oder positiven Anschluss abgeführt werden muss. Der zweite, sogenannte Load-Dump-Fall tritt bei einem plötzlichen Lastabwurf auf, nach dem der Generator­ regler eine gewisse Zeitspanne benötigt, um den Strom der Erregerwicklung anzupassen und die Gene­ ratorspannung abzuregeln. Um hohe Spannungsspitzen im Bordnetzes in diesem Zeitraum zu vermeiden, kön­ nen die Gleichrichterdioden als Zenerdioden ausge­ bildet sein, die für kurze Zeit in der Lage sind, die gesamte Leistung des Generators aufzunehmen.

Die hierbei auftretenden Verlustleistungen können in der Größenordnung mehrerer Kilowatt liegen. Die dann entstehende Wärme an den Gleichrichterdioden kann nicht über die Kühlkörper abgeführt werden, sondern wird im Diodengehäuse selbst durch eine ausreichend dimensionierte Kupfermasse aufgefangen, die somit als Wärmepuffer dient. Es zeigt sich al­ so, dass die bekannten Stromrichter aufwendig auf­ gebaut und außerdem relativ groß sind, da - bei ei­ nem Drehstrom-Brückengleichrichter - sechs Einzeldi­ oden mittels kompliziert aufgebauten Anschlussble­ chen gekühlt werden müssen. Außerdem ergibt sich ein hoher Verdrahtungsaufwand für die Verbindung der einzelnen Dioden und für die elektrische Anbin­ dung des Stromrichters an die elektrische Maschine, beispielsweise Generator.

Vorteile der Erfindung

Ein Stromrichter mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass ei­ ne wesentliche Vereinfachung des Aufbaus und Redu­ zierung des Platzbedarfs des Stromrichters gegeben und damit auch eine erhebliche Kostensenkung für die Herstellung verbunden ist. Insbesondere da­ durch, dass die als elektrischer Anschluss dienen­ den Aufnahmeteile und die Halbleitersubstrate einen Stapel bilden und zwischen den Halbleitersubstraten ein thermisch und elektrisch leitendes Einlegeteil angeordnet ist, das den elektrischen Anschluss er­ laubt, ist eine thermische Kopplung zwischen den beiden Aufnahmeteilen erreicht. Somit genügt es, wenn eines der Aufnahmeteile mit seinem Befesti­ gungsmittel an einem separaten Kühlkörper, beispielsweise an einem Generatorlagerschild, angeord­ net wird, um die Verlustwärme ableiten zu können. Es ergibt sich also ein Wärmefluss von den in der Nähe des einen (oberen) Aufnahmeteils angeordneten Halbleitersubstraten über die dazwischen liegenden Halbleitersubstrate und das Einlegeteil zu dem an­ deren (unteren) Aufnahmeteil. Durch die stapelweise Anordnung der Halbleitersubstrate zwischen den Auf­ nahmeteilen sind beide Aufnahmeteile außerdem e­ lektrisch gegeneinander isoliert, so dass hierfür keine weiteren Bauteile oder Maßnahmen erforderlich sind. Es zeigt sich, dass ein zusätzlicher Kühlkör­ per für eines der Aufnahmeteile entfallen kann. Insbesondere bei Drehstrom-Brückenstromrichtern er­ gibt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Vorteil, dass jeweils der Plus- und Minusanschluss an einem der Aufnahmeteile als gemeinsame Strom­ schiene ober- beziehungsweise unterhalb der Strom­ richterventile ausgeführt werden kann und außerdem eine zusätzliche Verdrahtung weitgehend entfällt, da das zwischen den Stromrichterventilen angeordne­ te Einlegeteil als drehstromseitiger Anschluss dient.

Es wird klar, dass die Erfindung nicht auf Gleich­ richter für den Einsatz bei Drehstromgeneratoren beschränkt ist. Selbstverständlich können damit al­ le anderen Arten von Stromrichtern realisiert wer­ den. Wird beispielsweise das Einlegeteil zweipolig ausgebildet und weist das Halbleitersubstrat an seiner dem Einlegeteil zugewandten Fläche zwei Kon­ taktflächen auf, können selbstverständlich auch steuerbare Stromrichterventile, insbesondere Thy­ ristoren und Transistoren, MOSFET's und IGBT's verwendet werden. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Stromrichters ist also in vielen Umform- und Steu­ erbereichen der elektrischen Energie verwendbar.

Um die thermische und elektrische Leitfähigkeit der Aufnahmeteile zu realisieren, sind diese in bevor­ zugter Ausführungsform aus Kupfer hergestellt oder weisen zumindest Kupfer auf. Sie können plattenför­ mig ausgebildet sein, wobei insbesondere bei dem Aufnahmeteil mit dem Befestigungsmittel eine ebene Fläche vorgesehen ist, um eine große Wärmeüber­ gangsfläche zu dem Lagerschild des Generators be­ reitzustellen, so dass die entstehende Wärme gut an das Generatorgehäuse abgegeben werden kann. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, den Stromrichter nicht direkt an dem Generator, sondern an einem an­ deren als Kühlkörper dienenden Element zu befesti­ gen.

Wird der Stromrichter am Lagerschild einer elektri­ schen Maschine, insbesondere Generator, befestigt, ergeben sich außerdem Vorteile für die Konzeption der Maschine: Durch die geringe Baugröße des Strom­ richters können am Lagerschild vergrößerte Luftein­ trittsöffnungen ausgebildet werden, durch die ent­ weder die Kühlung und damit der Wirkungsgrad der Maschine, oder das Lüfterrad der Maschine verklei­ nert werden kann, um damit die Geräuschemission zu verringern. Selbstverständlich lässt sich der Stromrichter auch an einer flüssigkeitsgekühlten Maschine befestigen. Durch die geringe Baugröße des Stromrichters ergibt sich ferner eine hohe Flexibi­ lität bei der Anordnung an einer Maschine. Der Stromrichter kann an einer Klauenpolmaschine, insbesondere Klauenpolgenerator eines Kraftfahrzeugs, an der A- oder B-Seite angeordnet werden. Durch die geringen Abmessungen des kompakten Stromrichters ergibt sich auch eine höhere mechanische Stabilität gegenüber Stoss- und Rüttelbeanspruchungen, so dass besonders bei seinem Einsatz im Kraftfahrzeug eine hohe und dauerhafte Funktionssicherheit gegeben ist.

Mit dem in Anspruch 8 genannten Herstellungsverfah­ ren lässt sich ein Stromrichter, insbesondere der vorstehend erwähnten Art, leicht und kostengünstig herstellen. Es ist bei der Herstellung vorgesehen, dass die Bauteile aufeinander geschichtet werden, wobei zwischen den Bauteilen zumindest bereichswei­ se ein elektrisch leitendes Kontaktmittel aufge­ bracht wird. Bei dem Aufeinanderschichten der Bau­ teile (Aufnahmeteile, Halbleitersubstrate und Ein­ legeteil) können diese der Reihe nach aufeinander gelegt werden, wobei jeweils dazwischen das Kon­ taktmittel vorliegt. Es ist jedoch auch möglich, dass Teilbaugruppen vorgefertigt werden. So ist es beispielsweise möglich, auf jedem Aufnahmeteil ei­ nes der Halbleitersubstrate mittels des Kontaktmit­ tels zu befestigen. Beide Aufnahmeteile werden dann unter Einbindung des Einlegeteils zusammengefügt und mittels des Kontaktmittels miteinander verbun­ den. Die Reihenfolge ist also nahezu beliebig wähl­ bar, wobei jedoch immer die Stapelanordnung der Bauteile gewählt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Kontaktmit­ tel eine Lotpaste oder Lotfolie sein. Die Lotpaste wird zumindest auf eines der Bauteile, die zusammengefügt werden sollen, aufgetragen. Bei Verwen­ dung der Lotpaste ist es vorteilhaft, dass diese eine gewisse Adhäsionswirkung aufbaut, so dass die aufeinander liegenden Teile aneinander haften und so in einem nachfolgenden Erwärmungsprozess während der Montage nicht verrutschen und genau ausgerich­ tet miteinander verbunden werden.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Kontakt­ mittel durch Diffusionslöten oder Leitkleben herzu­ stellen. Beim Leitkleben wird ein Klebemittel ver­ wendet, das partiell elektrisch leitfähig ist, in dem also beispielsweise elektrisch leitende Parti­ kel enthalten sein können.

Um das Fügen der Bauteile bei der Vormontage zu er­ leichtern, kann zwischen den Aufnahmeteilen ein e­ lektrisch nicht leitender Abstandhalter angeordnet sein. Dieser kann so ausgebildet sein, dass ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse gebildet wird, bei dem die Gehäusewandungen durch die Aufnahmetei­ le und den Abstandhalter gebildet werden. Dieser Abstandhalter kann als Teilbaugruppe mit dem Einle­ geteil ausgebildet sein. Es ist möglich, den Ab­ standhalter nach dem Verbinden der Bauteile mit dem Kontaktmittel wieder zu entfernen. Er kann aller­ dings auch so lange angeordnet bleiben, bis der zwischen den Aufnahmeteilen vorliegende freie Raum mit einer Vergussmaße ausgefüllt oder mit Kunst­ stoff ausgespritzt ist. Er kann jedoch auch nach dem Verfüllen der freien Räume zwischen den Aufnah­ meteilen verbleiben.

Insbesondere bei mehrpoligen Stromrichtern, bei de­ nen also mehrere Halbleiterstapel nebeneinander liegen, können die zwischen zwei Halbleitersubstra­ ten liegenden Einlegeteile miteinander verbunden sein. Es können Anschlussfahnen vorgesehen sein, die über den Gehäuserand überstehen. Am Ende der Fahnen können diese miteinander verbunden sein. Da­ durch wird die Montage des Stromrichters verein­ facht. Nach der vollständigen Montage können die Einlegeteile, insbesondere deren Anschlussfahnen, mechanisch voneinander getrennt werden.

Insbesondere bei der Vormontage ist vorgesehen, dass die Bauteile vorfixiert werden. Hierzu können beispielsweise an den sich zugewandten Seiten der Aufnahmeplatten Stifte oder Ausnehmungen ausgebil­ det sein, die mit an dem Abstandhalter ausgebilde­ ten Stiften oder Ausnehmungen zusammenwirken, indem die Stifte in die Ausnehmungen eingriffen. Der Ab­ standhalter kann also außerdem als Vorfixierelement verwendet werden, der - wie vorstehend erwähnt - nach der Montage entfernt werden kann.

Ist - wie eben beschrieben - ein Vergießen oder Aus­ spritzen der freien Räume vorgesehen, können die Seitenränder der Halbleitersubstrate mit einem Schutzlack lackiert werden, um die Substrate vor den in manchen Fällen auch chemisch aggressiven Vergussmassen beziehungsweise Kunststoffen und vor Feuchtigkeit zu schützen.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Stromrichters,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Stromrich­ ters,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Stromrichters nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Explosionsdarstellung ein erstes Aus­ führungsbeispiel einer Stromrichteranord­ nung,

Fig. 5 in Explosionsdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stromrichteran­ ordnung,

Fig. 6 in Explosionsdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Stromrichteran­ ordnung, und

Fig. 7 einen mit einem Kunststoffgehäuse (Mold­ gehäuse) versehenen Stromrichter.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Stromrichters 1, der für die weiteren Betrachtungen als Gleichrich­ ter 2 angenommen wird. Der Stromrichter 1 weist zumindest zwei, hier sechs Stromrichterventile 3 bis 8 auf, die im Falle des Gleichrichters 2 als Dio­ den, insbesondere Zenerdioden, realisiert sind. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Stromrichter handelt es sich um einen sogenannten Sechs-Puls-Brücken­ stromrichter, der einen Drehstromanschluss 9 mit drei Phasenanschlüssen U, V und W besitzt. Außerdem weist der Stromrichter 1 einen Gleichspannungsan­ schluss 10 auf, der einen positiven Anschluss B+ und einen negativen Anschluss B- umfasst. In bevor­ zugter Ausführungsform ist der Stromrichter 1 als dreipoliger Gleichrichter ausgebildet. Es wird je­ doch klar, dass selbstverständlich auch mehr- oder weniger-polige Stromrichtertypen realisiert sein können.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird im Folgenden der Aufbau des Stromrichters 1 beschrieben. Gleiche be­ ziehungsweise gleichwirkende Teile wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugzeichen versehen. Der Gleichstromanschluss 10 wird durch zwei thermisch und elektrisch leitende Aufnahmeteile 11 und 12 ge­ bildet, die mit Abstand zueinander liegen. Das Auf­ nahmeteil 11 bildet den B+ Anschluss des Gleich­ stromanschlusses 10; das Aufnahmeteil 12 bildet den B- Anschluss des Gleichstromanschlusses 10. Die Aufnahmeteile 11 und 12 sind in bevorzugter Ausfüh­ rungsform als Platten 13 und 14 realisiert. Die Stromrichterventile 3 bis 8 sind als Halbleitersub­ strate 15 ausgebildet, wobei jedes Halbleitersub­ strat 15 eine obere und untere elektrische Kontakt­ fläche 16 beziehungsweise 17 aufweist. Zwei Halb­ leitersubstrate 15 sind aufeinandergestapelt zwi­ schen den Platten 13 und 14 angeordnet. Zwischen zwei Halbleitersubstraten 15 befindet sich ein e­ lektrisch und thermisch leitendes Einlegeteil 18, das eine Anschlussfahne 19 besitzt, die aus dem Be­ reich zwischen den beiden Platten 13 und 14 heraus­ ragt, wie dies in Fig. 3 wiedergegeben ist. Somit bilden zwei hintereinander angeordnete Halbleiter­ substrate 15 zusammen mit den Platten 13 und 14 und dem Einlegeteil 18 einen Stapel 20 mit mehreren La­ gen. Ist der Stromrichter dreipolig ausgebildet, liegen drei Stapel 20 vor. Dadurch, dass die Halb­ leitersubstrate 15 an ihrer Ober- und Unterseite die elektrischen Kontaktflächen 16 und 17 aufwei­ sen, können der Drehstromanschluss 9 und der Gleichstromanschluss 10 leicht an den Halbleiter­ substraten 15 angebracht werden. Somit bildet jedes Einlegeteil 18 einen Anschluss U, V, W des Dreh­ stromanschlusses 9 und - wie vorstehend erwähnt - je­ des Aufnahmeteil 11 und 12 einen Anschluss des Gleichstromanschlusses 10.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, sind die Halbleitersubstrate 15 flach ausgebildet und weisen kein Gehäuse auf. Als Halbleitersubstrate 15 kommen - je nach gewünschter Stromrichterfunktion - ver­ schiedene Stromrichterventile zum Einsatz. Im Falle des Gleichrichters 2 sind vorzugsweise sogenannte axiale pn-Dioden eingesetzt, bei denen der p-n- Übergang im wesentlichen rechtwinklig zur Zeich­ nungsebene liegt. Das heißt, dass eine p- oder n- Schicht eines Halbleitersubstrats 15 an dem An­ schlussteil 11 und die andere n- oder p-Schicht am Einlegeteil 18 jeweils mit ihren Kontaktflächen 16 und 17 anliegt. Selbstverständlich können jedoch auch andere Halbleitersubstrate verwendet werden, wie beispielsweise Planarbauelemente oder, bei ent­ sprechenden mit Lot-Depots versehenen Kontaktflä­ chen, auch integrierte Schaltkreise. Selbstver­ ständlich können auch mehr als zwei Kontaktflächen 16 und 17 vorgesehen sein. Hierbei kann dann vorge­ sehen sein, dass das Einlegeteil 18 mehrere An­ schlussfahnen 19 umfasst die jeweils einer Kontakt­ fläche zugeordnet sind. Beispielsweise die untere Kontaktfläche 17 des Halbleitersubstrats 15 kann mehrere Teilkontaktflächen aufweisen. Es zeigt sich, dass bei einfachen Geometrieanpassungen des Drehstromanschlusses 9 und Gleichstromanschlusses 10 auch Parallelschaltungen mehrerer Halbleitersub­ strate 15 zur Stromerhöhung oder Funktionserweite­ rung möglich sind.

Gemäß Fig. 4 können die Platten 13 und 14 an den einander zugewandten Seitenflächen eine Erhöhung 21 aufweisen, auf denen - im montierten Zustand - die Halbleitersubstrate 15 zu liegen kommen. Das Auf­ nahmeteil 12 weist außerdem ein Befestigungsmittel auf, mit dem der zusammengesetzte Stromrichter 1 an einem Generatorlagerschild befestigt werden kann. Das Befestigungsmittel ist im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel mit zwei Durchbrüchen 22 realisiert, durch die ein Bolzen steckbar ist. Die Durchbrüche 22 und/oder der Bolzen (nicht dargestellt) können Gewinde umfassen. Damit ist es möglich, das Aufnah­ meteil 12 mit seiner der Erhöhung 21 gegenüberlie­ genden Unterseite 23 flächig auf dem Generator­ schild anzuordnen. Für einen besseren Wärmeübergang kann zwischen dem Generatorschild und der Untersei­ te 23 eine Wärmeleitpaste eingebracht werden.

Das Aufnahmeteil 11 besitzt zumindest eine Aufnahme 24, hier zwei, die jeweils ein Anschlusselement, beispielsweise einen Bolzen, aufnehmen können, da­ mit ein Stromabgriff an dem Aufnahmeteil 11 befes­ tigt werden kann. Alternativ kann an das Aufnahme­ teil 11 auch ein Anschlussteil, insbesondere An­ schlussblech, angelötet oder geschweißt werden.

Zwischen beiden Aufnahmeteilen 11 und 12 ist noch ein Abstandhalter 25 anordenbar, der aus elektrisch isolierendem Material besteht oder dieses umfasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Einle­ geteile 18 und der Abstandhalter 25 als zusammenge­ steckte Teilbaugruppe 25' ausgebildet. Hierzu weist der Abstandhalter 25 an einer Wandung 26 Durchbrü­ che auf, durch die die Anschlussfahnen 19 hindurch­ greifen. Der Abstandhalter 25 ist hier im wesentli­ chen U-förmig realisiert, so dass bei zusammenge­ setztem Stromrichter 1 ein Gehäuse entsteht, wel­ ches lediglich an einer Seite offen ist, um bei­ spielsweise eine Vergussmasse oder einen Kunststoff einbringen zu können. Die Aufnahmeteile bilden so­ mit Deckel und Boden des Gehäuses. Der Abstandhal­ ter 25 kann außerdem Vorfixierelemente 27 aufwei­ sen, die als Stifte ausgebildet sind, die in als Ausnehmungen ausgebildete Vorfixierelemente 28 an den Aufnahmeteilen 11 und 12 eingreifen.

Bei der Montage des Stromrichters 1 wird vorzugs­ weise mit dem Aufbau auf dem Aufnahmeteil 12 begon­ nen. Auf der Erhebung 21 wird im Bereich der auf zu­ bringenden Halbleitersubstrate 15 ein elektrisch leitendes Kontaktmittel, beispielsweise Lotpaste oder Lotfolie, aufgebracht. Anschließend werden die Halbleitersubstrate 15 mit ihrer unteren Kontakt­ fläche 17 auf das Kontaktmittel aufgelegt. An­ schließend werden die oberen Kontaktflächen 16 mit dem Kontaktmittel beschichtet. Danach wird die Teilbaugruppe 25' auf die Platte 12 derart aufge­ steckt, dass die Vorfixierelemente 27 in die Vorfi­ xierelemente 28 eingreifen. Anschließend werden die Einlegeteile 18 an ihrer freien Seite mit dem Kon­ taktmittel beschichtet, und zwar an der Stelle, an der die Halbleitersubstrate 15 zu liegen kommen. Diese werden anschließend auf das Kontaktmittel am Einlegeteil 18 aufgelegt. Nach einer anschließenden Beschichtung der Halbleitersubstrate 15 mit dem Kontaktmittel wird schließlich das Aufnahmeteil 25 aufgesetzt. Somit wird eine vormontierte Stromrich­ ter-Baugruppe 1' hergestellt, die durch die Verwen­ dung von Lotpaste und des Abstandhalters 15 vorfi­ xiert ist. Eine anschließende Erwärmung der zusam­ mengesetzten Stromrichter-Baugruppe 1' beeinflusst die Lotpaste derart, dass eine dauerhafte elektri­ sche Verbindung zwischen den Aufnahmeteilen 11, 12 den Halbleitersubstraten 15 und den Einlegeteilen 19 erreicht wird. Bei der Erwärmung der Stromrich­ ter-Baugruppe 1' sind die Löttemperaturen zu beach­ ten. Bei Verwendung von Lotpaste oder Lotfolie wer­ den unter Umständen Temperaturen von mehr als 350°C erreicht. Insbesondere ist dann der Abstandhalter 25 aus einem wärmewiderstandsfähigen Material, bei­ spielsweise einer Keramik oder einem hochtempera­ turfesten Kunststoff, hergestellt. Bei alternativen Fügeverfahren, wie Diffusionslöten oder Leitkleben, treten niedrigere Prozesstemperaturen auf. Deshalb könnte der Abstandshalter 25 als Kunststoffteil ausgebildet sein.

Als Variation des Montageablaufs ist auch ein zweiteiliger Lötprozess denkbar, bei dem zuerst die unteren Halbleitersubstrate 15 auf die Erhebung 21 aufgebracht und mit dem Aufnahmeteil 12 durch Löten verbunden werden. Die anderen Halbleitersubstrate 15 können in analoger Weise mit dem oberen Aufnah­ meteil 11 verbunden werden. Somit entstehen vorge­ fertigte Teilbaugruppen 11', 12', so dass in einem weiteren Montageschritt die Teilbaugruppe 25' ein­ gesetzt und mit den übrigen Teilbaugruppen 11' und 12' verbunden werden kann. Der Vorteil dieses Mon­ tageablaufs liegt in der geringeren Anzahl von Bau­ teilen, die während einem Lötprozess gehandhabt werden müssen, in der Prüfbarkeit von Teilmodulen und in der Möglichkeit, unterschiedliche Fügever­ fahren in beiden Schritten anzuwenden. So können beispielsweise die Halbleitersubstrate 15 mittels Lotpaste auf den Aufnahmeteilen 11 und 12 befestigt werden. Die Einlegeteile 18 können anschließend durch Leitkleben an den Halbleitersubstraten 15 be­ festigt werden. Somit kann die kritische thermische Ankopplung der Halbleitersubstrate 15 an den Auf­ nahmeteilen 11 und 12 über ein Hochtemperaturlot erfolgen, während der Kontakt zu den Einlegeteilen 18 mit dem Leitkleber hergestellt wird, der ohne die hohen Löttemperaturen aushärtet. Somit könnte der Abstandhalter 25 vorzugsweise aus Kunststoff bestehen.

Anhand von Fig. 5 wird ein weiteres Montagekonzept beschrieben. Gleiche Teile wie in Fig. 4 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Folgenden wird daher lediglich auf Unterschiede eingegangen. Das Aufnahmeteil 11 weist seitliche, abtrennbare Erweiterungen 29 auf, die jeweils einen Durchbruch 30 aufweisen. Zur Montage können zwei Führungsbolzen 31 verwendet werden, die in die Durchbrüche 30 und 22 eingesteckt werden können. Der Führungsbolzen 31 bildet somit ein Vorfixierelement 28'. Um ein le­ diglich einseitig offenes Gehäuse bei der Strom­ richter-Baugruppe 1' nach Fig. 5 ausbilden zu kön­ nen, ist in den Zwischenraum zwischen den beiden Aufnahmeteilen 11 und 12 noch ein als Clip vorlie­ gendes Gehäuseteil 32 einlegbar, das im wesentli­ chen U-förmig ausgebildet ist. Um die Montage zu vereinfachen, können die Einlegeteile 18 in Einem sogenannten Leadframe-Rahmen 33 eingebunden sein, das heißt, dass die Anschlussfahnen 19 an ihrem freien Ende trennbar miteinander verbunden sind. Der Leadframe-Rahmen 33 weist außerdem noch zwei Schenkel 34 auf, die im wesentlichen parallel zu den Anschlussfahnen 19 liegen. Jeder Schenkel 34 weist einen Durchbruch 35 auf, durch die die Füh­ rungsbolzen 31 hindurchgreifen können. Die Füh­ rungsbolzen 31 können als Passstifte ausgebildet sein, die Gewinde aufweisen, die in Gewinde der Durchbrüche 22 und 30 eingeschraubt werden können, wobei die Durchbrüche 22 später - wie vorstehend er­ wähnt - als Befestigungselement des Stromrichters 1 an einem Generator dienen.

Besonders vorteilhaft können nun anstelle der im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Lotpaste als Kontaktmittel nunmehr Lotfolienteile 36 verwendet werden, die die elektrische Verbindung der Halblei­ tersubstrate 15 mit den Aufnahmeteilen 11 und 12 und den Einlegeteilen 18 herstellen.

Bei zusammengesetzter Stromrichter-Baugruppe 1' nach Fig. 5 und anschließendem Erwärmen werden die elektrischen Kontaktierungen durch die Lotfolien 36 hergestellt. Anschließend kann ein Vergießen oder Einspritzen von Kunststoff in die zwischen den bei­ den Aufnahmeteilen 11 und 12 vorliegenden freien Bereiche erfolgen, wobei durch das Gehäuseteil 32 verhindert wird, dass die Vergussmasse oder der Kunststoff ungewollt austritt.

Bei einem Ausführungsbeispiel können die Seitenrän­ der S der Halbleitersubstrate 15 lackiert werden, um zu verhindern, dass die Halbleitersubstrate 15 durch chemisch aggressive Vergussmassen oder Kunst­ stoffe oder eindringende Feuchtigkeit angegriffen werden.

Nachdem die Stromrichter-Baugruppe 1' vollständig montiert ist, können an Trennlinien T die Erweite­ rungen 30 und die Schenkel 34 abgetrennt werden. Die Führungsbolzen 31 können somit wieder entfernt werden, so dass die Durchbrüche 22 an dem Aufnahme­ teil 22 für die Befestigung des Stromrichters 1 an dem Generatorschild verwendet werden können.

Alternativ zu den hier verwendeten Führungsbolzen 31 kann für die Montage auch vorgesehen sein, dass die Aufnahmeteile 11, 12 und der Leadframe-Rahmen 33 miteinander vernietet werden, wobei diese Niet­ verbindung nach dem Lötprozess wieder ausgestanzt werden kann. Dieses Verfahren ist insbesondere für die Großserienfertigung von Vorteil, da es zusätz­ liche Passstifte und Gewindebohrungen vermeidet und mit Niet- und Stanzschritten zu konventioneller IC- Verpackung kompatibel ist.

Grundsätzlich ist es bei den vorgeschlagenen Monta­ geschritten auch möglich, wie in Fig. 6 darge­ stellt, ohne die Abstandhalter 25 beziehungsweise Führungsbolzen 31 auszukommen. Beispielsweise ist eine entsprechende Lötform denkbar, die die Aufnah­ meteile 11, 12 und die Einlegeteile 19 beim Bestü­ ckungs- und Lötprozess in Position hält. Bei dieser Variante können die seitlichen, abtrennbaren Erwei­ terungen 29 entfallen.

Neben den bisher erläuterten Verguss- beziehungs­ weise Ausspritzverfahren unter Verwendung des Ab­ standhalters 25 (Fig. 4) sowie eines Clips 32 (Fig. 5 und 6) kann die Verpackung der vor- be­ ziehungsweise fertigmontierten Stromrichter-Bau­ gruppe 1' auch völlig unter Verzicht zusätzlicher Gehäusebestandteile mit einem Moldgehäuse 37 nach Fig. 7 ausgeführt werden. Bei hierfür eingesetz­ ten, in der Halbleiterindustrie weit verbreiteten Moldprozessen wird das zu verpackende Bauteil, in diesem Fall die Stromrichter-Baugruppe 1', in eine ein Ober- und Unterteil umfassende Moldform einge­ legt, wobei das Ober- und Unterteil mit hohem Druck gegeneinander verschlossen werden. Durch eine ge­ eignete Geometrie beziehungsweise Innenkontur der Moldform und mit entsprechenden Dichtflächen zwi­ schen Ober- und Unterteil sowie gegenüber den Flä­ chen des Bauteils verbleibt ein definierter Hohl­ raum in dem und um das Bauteil, der mit einer Kunststoffmasse ausgespritzt werden kann. Dabei wird diese Kunststoffmasse mit definiertem Druck und definierter Temperatur in den Hohlraum einge­ spritzt. Anschließend härtet die Moldmasse in der Form innerhalb kurzer Zeit aus. Die Form kann ge­ öffnet und das fertig verpackte Bauteil kann ausge­ stoßen werden.

Bei der Anwendung dieses Moldverfahrens zur Verpa­ ckung der in der beschriebenen Stapelbauweise aus­ geführten Stromrichter-Baugruppe 1' ist zu beach­ ten, dass die zwischen den Platten 11, 13 und 12, 14 befindlichen Halbleitersubstrate 15 keiner me­ chanischen Belastung, zum Beispiel durch Schließen und Abdichten der Moldform, ausgesetzt werden dür­ fen. Aus diesem Grund kann die Dichtung der Form direkt nur gegen die untere Platte 12, 14 erfolgen. Die obere Platte 11, 13 wird daher vollständig um­ spritzt. Zwischen dieser oberen Platte 11, 13 und der Moldform liegt also einer der vorstehend be­ schriebenen Hohlräume. Der elektrische B+ Anschluss der Stromrichter-Baugruppe 1' kann dann in Form der in Fig. 7 gezeigten, zusätzlich an der oberen Platte 11, 13 angebrachten seitlich abstehenden An­ schlussfahne 38 ausgeführt sein, da diese Fahne 38 in genügend großem Abstand zu den Halbleitersub­ straten 15 wieder mechanisch belastet und damit ge­ genüber der Moldform abgedichtet werden kann. Spe­ ziell bei dieser Verpackungsvariante kommt der grundsätzliche Vorteil der erfindungsgemäßen Sta­ pelanordnung der Stromrichter-Baugruppe 1' mit ei­ ner vollständigen Wärmeableitung nach unten über die Platte 12, 14 zu einem separaten Kühlkörper be­ sonders zur Geltung, da hier die obere Platte 11, 13 für Kühlmaßnahmen nicht mehr oder nur schlecht zugänglich ist.

Bei den im Zusammenhang mit den Fig. 4 bis 7 be­ schriebenen Montageabläufen ist es nicht zwingend notwendig, sämtliche Anschlussfahnen 19 auf einer Seite herauszuführen. Vielmehr ist die Richtung je­ der Anschlussfahne 19 beliebig wählbar. Insbesonde­ re kann es durch räumliche Anordnung von elektri­ schen Anschlüssen am Generator notwendig sein, das zwei Anschlussfahnen 19 auf derselben Seite heraus­ ragen und die dritte Anschlussfahne 19 auf der ge­ genüberliegenden Seite.

Claims (26)

1. Stromrichter (1) mit zumindest zwei Halbleiter­ substraten (15), von denen jedes zumindest zwei Kontaktflächen (16, 17) aufweist, zwei die Halblei­ tersubstrate (15) tragende, thermisch leitende Auf­ nahmeteile (11, 12), die jeweils einen elektrischen Anschluss (B+, B-) aufweisen, einem an einem der Aufnahmeteile (11, 12) ausgebildeten Befestigungs­ mittel (22) und mit zumindest einem dritten elekt­ rischen Anschluss (U, V, W), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeteile (11, 12) und die Halbleiter­ substrate (15) Stapel (20) bilden, dass die Aufnah­ meteile (11, 12) die Halbleitersubstrate (15) zwi­ schen sich aufnehmen und dass zwischen den Halblei­ tersubstraten (15) ein elektrisch und thermisch leitendes Einlegeteil (18) angeordnet ist, das zu­ mindest den dritten Anschluss (U, V, W) aufweist.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Halbleitersubstrate (15) Strom­ richterventile (3 bis 8), insbesondere Zenerdioden, sind.

3. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Befestigungselement (22) für die Befestigung des Stromrichters (1) an einer elektri­ schen Maschine dient.

4. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mehrere Stapel (20) der Halbleitersubstrate (15) nebeneinander zwischen den Aufnahme­ teilen (11, 12) liegen.

5. Stromrichter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme­ teile (11, 12) aus Kupfer hergestellt sind oder Kup­ fer aufweisen.

6. Stromrichter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nebeneinander liegende Halbleitersubstrate (15) zweier Stapel (20) als einzelne Chips oder zusammenhängend ausge­ bildet sind.

7. Stromrichter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme­ teile (11, 12) im wesentlichen plattenförmig ausge­ bildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Stromrichter (1) mit zumindest zwei Halbleitersubstraten (15) von denen jedes zumindest zwei Kontaktflächen (16, 17) aufweist, zwei die Halbleitersubstrate (15) tragen­ de, thermisch leitende Aufnahmeteile (11, 12), die jeweils einen elektrischen Anschluss (B+, B-) auf­ weisen, einem an einem der Aufnahmeteile (11, 12) ausgebildeten Befestigungsmittel (22) und mit zu­ mindest einem dritten elektrischen Anschluss (U, V, W), bei dem eines der Aufnahmeteile (11, 12), eines der Halbleitersubstrate (15), das Einlegeteil (18), das andere Halbleitersubstrat (15) und das andere Aufnahmeteil (11, 12) aufeinandergelegt wer­ den, wobei zwischen zwei Lagen zumindest bereichsweise ein elektrisch leitendes Kontaktmittel (36) eingebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, dass als Kontaktmittel (36) eine Lotpaste oder Lotfolie verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, dass das Kontaktmittel (36) durch Diffusions­ löten oder Leitkleben hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zusammengesetzte Stromrichter (1) erwärmt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst auf beiden Aufnahmeteilen (11, 12) jeweils ein Halbleitersub­ strat (15) mit dem Kontaktmittel (36) befestigt wird und dass dann das Halbleitersubstrat (15) mit dem Einlegeteil (18) mittels des Kontaktmittels (36) verbunden wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den bei­ den Aufnahmeteilen (11, 12) ein elektrisch nicht leitender Abstandhalter (25, 31) angeordnet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (25, 31) und das Einlegeteil (18) eine trennbare Baugruppe (25') bilden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halblei­ tersubstrate (15) nebeneinander auf einem Aufnahme­ teil (11, 12) angeordnet werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile (18) bei der Montage miteinander verbunden sind und erst nach der Montage des Stromrichters (1) vonein­ ander getrennt werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den beiden Aufnahmeteilen (11, 12) vorliegende freie Be­ reich mit einer Vergussmasse ausgefüllt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen mittels Vorfixierelementen (27, 28, 28') vorfixiert werden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorfixierele­ mente (27, 28, 28') nach der Montage entfernt werden.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbrin­ gen der Vergussmasse die Seitenränder (S) der Halb­ leitersubstrate (15) lackiert werden.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den beiden Aufnahmeteilen (11, 12) vorliegende freie Be­ reich mit Kunststoff ausgespritzt wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (1) als vormontierte Stromrichter-Baugruppe (1') zumindest bereichsweise mit Kunststoff umspritzt wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Umspritzen der Stromrichter-Baugruppe (1') nach einem Moldver­ fahren erfolgt, bei dem die Stromrichter-Baugruppe (1') von einer Moldform aufgenommen wird, in die durch eine Öffnung die Kunststoffmasse eingespritzt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Moldform so ausgebildet ist, dass der Drehstromanschluss (9), der Gleichstromanschluss (10), an dem einen Aufnah­ meteil (12) ausgebildete Befestigungsmittel (22) und die Unterseite des Aufnahmeteils (12) aus der das Moldgehäuse (37) bildenden Kunststoffmasse her­ ausragen.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Auf­ nahmeteil (11) vollständig innerhalb des Moldgehäu­ ses (37) liegt.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Spritzen des Moldgehäuses (37) an dem anderen Aufnahmeteil (11) eine Anschlussfahne (38) befestigt wird, die nach dem Spritzen aus dem Moldgehäuse (37) heraus­ ragt.