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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
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In einer mit Leistungselektronik ausgerüsteten Vorrichtung, wie beispielsweise einem Mehrzweck-Wechselrichter, einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, einer Werkzeugmaschine oder einem Industrieroboter, kommt ein Leistungsmodul zum Einsatz. Das Leistungsmodul beinhaltet in seinem Gehäuse einen Leistungsschaltkreis, in welchem eine Mehrzahl von IGBT-Chips kombiniert sind, Ansteuerschaltungen, welche die IGBTs ansteuern, und dergleichen. Diese Ansteuerschaltungen sind mit verschiedenen, außerhalb des Gehäuses ausgebildeten Anschlüssen verbunden. Beispielsweise weist ein in einem Wechselrichter verwendetes Leistungsmodul an seiner Außenseite P- und N-Anschlussplatten als Gleichstromeingang und -ausgang, und Steueranschlüsse für Steuersignale auf. Jeder Steueranschluss besteht aus einer Mehrzahl von Stiften oder plattenartigen Fahnen, deren jeweiliges eine Ende beispielsweise mit Ansteuerschaltungen für IGBTs verbunden ist, und einem Anschlussisolierblock, der diese Stifte oder Fahnen haltert. Der Anschlussblock ist am Gehäuse beispielsweise mittels eines Nachformverfahrens, einer Klebverbindung, Verschrauben oder dergleichen verbunden.
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Bei der Verwendung dieses Leistungsmoduls befestigt der Benutzer einen Hauptstromkreis am Leistungsmodul durch Verschrauben an den Anschlussplatten. In diesem Fall wird eine Steuerschaltung an dem Leistungsmodul in der folgenden Weise befestigt. D. h., es wird eine Platine, die ein Steuer-IC und dergleichen beinhaltet, direkt mit einem sich vom Anschlussblock erstreckenden Stift oder einer Fahne verlötet, oder ein Stift oder eine Fahne, die sich direkt vom Anschlussblock erstreckt, wird in eine Steckverbindungseinrichtung eingeführt, die mit der Platine verbunden oder an dieser befestigt ist.
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Wie zuvor beschrieben, erfordert ein herkömmliches Leistungsmodul, dass durch den Benutzer ein Verlöten oder ein Einsetzen von Steckverbindern erfolgt, und die Lohnkosten für den Verdrahtungsvorgang und die Teilekosten sind beträchtlich. Unter diesen Umständen wurde ein Leistungsmodul mit einer Struktur vorgeschlagen, mit der die Material- und Bearbeitungskosten des Produktes dadurch verringert werden, dass das durch den Benutzer erfolgende Verlöten der Steueranschlüsse mit einer außerhalb eines Gehäuses angeordneten Steuerschaltungsplatine entfällt (siehe z. B.
JP 2001-144249 A (die letzten zwei Absätze der ersten Ausführungsform in
3)).
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Bei diesem Leistungsmodul weist jeder Steueranschluss eine Balgfeder oder eine Schraubenfeder auf und ist mit einer externen Steuerschaltungsplatine elektrisch verbunden, und zwar nicht durch Verlöten, sondern mittels eines Druckkontaktes unter Verwendung der Federkraft des Steueranschlusses. Der Steueranschluss ist in einem Kunstharzgehäuse gehaltert, und zwar ist er in die Seitenwände des Kunstharzgehäuses eingegossen. Die an den Seitenwänden des Kunstharzgehäuses ”konzentriert” angeordneten Steueranschlüsse sind mit einem im Gehäuse angeordneten Substrat unter Verwendung von Kontaktierdrähten (Bonddrähten) verbunden.
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Jedoch sind bei diesem herkömmlichen Halbleiterbauelement alle Steueranschlüsse in die Seitenwände eines Kunstharzgehäuses eingegossen, und die Positionen der Steueranschlüsse sind auf die unmittelbare Umgebung des Umfangs des Kunstharzgehäuses eingeschränkt. Demgemäß müssen, auch wenn der Benutzer anstrebt, die Verdrahtung zwischen den Steueranschlüssen und der externen Steuerschaltungsplatine dadurch zu minimieren, dass die Steueranschlüsse in der Mitte des Leistungsmoduls angeordnet werden, nicht nur bei dem im Gehäuse angeordneten Substrat, sondern auch bei der über die Steueranschlüsse verbundenen externen Steuerschaltungsplatine, Drähte von ihren Verbindungszwischenpositionen zumindest bis zu den Positionen der Seitenwände geführt werden. Daher besteht nur eine geringe Flexibilität für die Positionen der Steueranschlüsse und das Verdrahtungslayout.
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Die
DE 10 2004 025 609 A1 offenbart ein Leistungsmodul mit einem Gehäuse, einer Abdeckung für das Gehäuse, und einem in einem in der Abdeckung ausgebildeten Anschlussaufnahmeteil aufgenommen Steueranschluss in Form eines Federanschlusses zur Durchleitung eines Steuersignals durch die Abdeckung hindurch. Der Federanschluss weist einen gewendelten Teil und einen sich mit diesem koaxial erstreckenden und ihn mit einer Elektrode eines im Gehäuse angeordneten Substrates verbindenden geradlinigen Teil auf. Ein dem Inneren des Gehäuses abgewandtes erstes Ende des Federanschlusses ist mit einer externen Steuerschaltungsplatine in Druckkontakt bringbar, während ein Ende des geradlinigen Teils integral mit einem dem Inneren des Gehäuses zugewandten Ende des gewendelten Teils ausgebildet ist. Der Federanschluss weist an seinem dem Gehäuseinneren abgewandten Ende des gewendelten Teils einen zweiten geradlinigen Teil auf. Die Anschlussherausführöffnung des Anschlussaufnahmeteils weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der des gewendelten Teils und etwas größer als der des zweiten geradlinigen Teils. Mit beiden geradlinigen Teilen scheint der Federanschluss nur in Druckkontakt mit der Elektrode bzw. der externen Steuerschaltungsplatine zu stehen, wobei eine die Anschlussherausführöffnung auf der dem Gehäuseinneren zugewandte Seite umgebende Fläche auf den gewendelten Teil des Federanschlusses drückt und damit das freie Ende des zweiten geradlinigen Teils in Kontakt mit der Elektrode auf dem im Gehäuse befindlichen Substrat halt. Wegen des geringen Durchmessers des den Federanschluss bildenden Federdrahts steht dabei an beiden Enden des Federanschlusses nur eine minimale Kontaktfläche zur Verfügung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungsmodul so auszugestalten, dass eine dauerhafte sichere Kontaktgabe des Federanschlusses sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gehäuses des Leistungsmoduls gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ausführungsbeispiele, bei denen die Erfindung für ein IGBT-Leistungsmodul als Halbleiterbauelement Anwendung findet, werden nachfolgend beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
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1 eine Draufsicht, welche das Aussehen eines Leistungsmoduls zeigt;
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2 einen Querschnitt, welcher darstellt, wie Steueranschlüsse in einem Leistungsmodul befestigt sind;
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3 eine detaillierte Ansicht, welche jeden der Steueranschlüsse von 2 in einem vergrößerten Maßstab zeigt;
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4 einen Querschnitt von 3 in der durch den Pfeil a angegebenen Richtung;
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5 einen Querschnitt, welcher darstellt, wie Steueranschlüsse in einem Leistungsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befestigt sind;
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6 eine detaillierte Ansicht, welche jeden der Steueranschlüsse von 5 in einem vergrößerten Maßstab zeigt;
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7 eine detaillierte Ansicht, welche darstellt, wie der Steueranschluss von 6 weiter durch einen Rahmen positioniert wird.
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Gemäß Darstellung in den 1 und 2 weist ein IGBT-Leistungsmodul 1 eines oder mehrere Halbleiterbauelemente, etwa in Form eines IGBT 13 als Leistungs-Halbleiterbauelement, und ein innerhalb eines Gehäuses angeordnetes Substrat 12 auf. Das IGBT-Leistungsmodul 1 mit dem in 1 dargestellten Aussehen weist auf: Anschlussplatten 3 und 4, welche als Gleichstrom-Leistungseingang dienen, Anschlussplatten 5 und 6, welche als Leistungsausgang dienen, und an einem einen Außenrahmen bildenden Gehäuse 2 vorgesehen sind, und für Steuersignale dienende Federanschlüsse 8, die durch eine Abdeckung 7 hindurch herausgeführt sind. Das Gehäuse 2 weist auch Schraubenlöcher 9 und Stifte 10 auf. Der Benutzer positioniert eine Steuerschaltungsplatine unter Verwendung der integral mit der Abdeckung 7 ausgebildeten Stifte 10 außerhalb des IGBT-Leistungsmoduls 1 und befestigt die Steuerschaltungsplatine an den Schraubenlöchern 9. Bei diesem IGBT-Leistungsmodul 1 dienen die Federanschlüsse 8 als Steueranschlüsse für die Steuersignale, und somit ist es lediglich erforderlich, dass der Benutzer die externe Steuerschaltungsplatine in das IGBT-Leistungsmodul 1 einschraubt. Dies macht es möglich, die Belastung des stromführenden Teils eines jeden Federanschlusses 8 auf einem geeigneten Niveau zu halten, und macht es unnötig, dass der Benutzer z. B. ein Verlöten der externen Steuerschaltungsplatine oder ein Einsetzen der Steckverbinder vornehmen muss.
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Wie in 2 dargestellt, weist das IGBT-Leistungsmodul 1 in seinem Inneren eine Grundplatte 11 zur Wärmeabführung auf. Ein im Gehäuse angeordnetes Substrat 12, das eine Keramik als Basismaterial verwendet und eine mit einer Kupferplatte bedeckte Unterseite aufweist, ist auf die Grundplatte 11 aufgelötet. Auf der Vorderseite des Substrats 12 ist ein Schaltungsmuster ausgebildet. Ein Leistungshalbleiterbauteil umfasst das Substrat 12, den IGBT 13, der auf dem Substrat 12 montiert ist, und eines oder mehrere Halbleiterbauelemente, etwa eine oder mehrere Freilaufdioden, die nicht dargestellt sind und ebenfalls auf dem Substrat 12 montiert sind. An der Rückseite des IGBT 13 vorhandene Elektroden sowie die Freilaufdiode(n) sind mit dem Schaltungsmuster des Substrats 12 verbunden, und Elektroden an der Vorderseite sind mittels Drähten 14 mit dem Schaltungsmuster verbunden. Ein Ende der Federanschlüsse 8 ist jeweils mit einer Elektrode für Steuersignale im Leistungshalbleiterbauteil verbunden, insbesondere mit einem Schaltungsmuster, das mit dem Gateanschluss des IGBT 13 verbunden ist, und zwar entweder über ein Lot oder über einen leitenden Klebstoff. Das Leistungsmodul kann ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) sein. Ein IPM ist ein IGBT-Leistungsmodul mit eingebauter Treiberschaltung für den IGBT. Eine Treiberschaltung gibt Steuersignale für das Gate des IGBT als Reaktion auf ein Steuersignal aus, das von einer externen Steuerschaltungsplatine geliefert wird. Die Steuerschaltungsplatine ist über die Federanschlüsse 8 angeschlossen. D. h., ein Ende der Treiberschaltung für den IGBT 13 bzw. des IPM ist mit einem Schaltungsmuster verbunden, mit dem die Federanschlüsse 8 verlötet sind.
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Ein Rahmen 15 ist innerhalb der Abdeckung 7 angeordnet, und aus Kunstharz bestehende Anschlusssaufnahmeteile 16 sind integral mit dem Rahmen 15 an Positionen angeordnet, an welchen die Federanschlüsse 8 angeordnet sind. Jeder Federanschluss 8 ist durch den zugehörige Anschlussaufnahmeteil 16 des Rahmens 15 gehaltert, hingegen steht er um die Federkompressionstoleranz A aus einer Ebene 17 hervor, die mit der externen Steuerschaltungsplatine (nachfolgend als ”Platinenkontaktebene” bezeichnet) in Kontakt kommt. Demgemäß werden, warm die (nicht dargestellte) externe Steuerschaltungsplatine unter Verwendung der Positionierstifte 10 positioniert wird und dann mittels der zur Platinenbefestigung dienenden Schraublöcher 9 bezüglich der Platinenkontaktebene 17 am IGBT-Leistungsmodul 1 befestigt wird, die Federanschlüsse 8 durch die externe Steuerschaltungsplatine auf die Federsolllänge B zusammengedrückt.
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Die Platinenkontaktebene 17 der Steuerschaltungsplatine muss lediglich höher sein als die Anschlussaufnahmeteile 16 des Rahmens 15 und braucht nicht in einer Ebene mit diesen zu liegen. Die Kompressionstoleranz A für die Federanschlüsse 8 ist durch die Höhe der im Gehäuse 2 ausgebildeten Schraublöcher 9 zur Platinenbefestigung definiert, d. h. die Position der Platinenkontaktebene 17. Dies verhindert, dass durch die Steuerschaltungsplatine über die Federanschlüsse 8 ein übermäßiger Druck auf den Rahmen 15 ausgeübt wird.
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Der Rahmen 15 insgesamt ist z. B. in Form eines Gitters ausgebildet und weist eine große Anzahl von Öffnungen 18 auf. Diese Öffnungen 18 ermöglichen, bei in das Gehäuse eingesetztem Rahmen 15, einen Zugang eines Lötkolbens oder eines Heißgases zu Teilen, an denen die Federanschlüsse 8 mit den Elektroden für die Steuersignale der Ansteuerschaltungen verlötet werden, die am im Gehäuse angeordneten Substrat angebracht sind.
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Wie in 3 dargestellt, weist jeder Federanschluss 8 auf: Einen gewendelten Teil 20, der an seinem oberen Ende eine Anschlusskontaktfläche 19 aufweist, welche sich in direktem Druckkontakt mit der externen Steuerschaltungsplatine befindet, einen geradlinigen Teil 21, der am unteren Ende des gewendelten Teils 20 integral ausgebildet ist und sich zum gewendelten Teil 20 koaxial erstreckt, und einen verlöteten Teil 22, der am unteren Ende des geradlinigen Teils 21 integral ausgebildet ist und mit der zugehörigen Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates verlötet ist.
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Der Anschlussaufnahmeteil 16 des Rahmens 15, welches den gewendelten Teil 20 eines jeweiligen Federanschlusses 8 aufnimmt, weist einen sich verjüngenden Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 auf, gegen den das untere Ende des gewendelten Teils 20 zur Anlage kommt. Demgemäß wird, wenn die externe Steuerschaltungsplatine am IGBT-Leistungsmodul 1 befestigt wird, der gewendelte Teil 20 des Federanschlusses 8 gegen den Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 gedrückt. Dies bringt die Anschlusskontaktfläche 19 mit einer geeigneten Federkraft in Druckkontakt mit einer an der externen Steuerschaltungsplatine angeordneten Schaltung und gewährleistet elektrischen Durchgang.
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Die zur Anschlusskontaktfläche 19 des Federanschlusses 8 entgegengesetzte Seite weist den geradlinigen Teil 21 auf, welcher für elektrischen Durchgang zum im Gehäuse angeordneten Substrat 12 sorgt. Der geradlinige Teil 21 hat eine Länge, welche dem Abstand vom unteren Ende des gewendelten Teils 20 zu dem im Gehäuse angeordneten Substrat 12 entspricht, und ist durch Verlöten mit der zugehörigen Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates 12 velötet. Der geradlinige Teil 21 ist koaxial zum gewendelten Teil 20 angeordnet, um eine Drehbewegung des Federanschlusses 8 zu verhindern, wenn dieser in den zugehörigen Anschlussaufnahmeteil 16 des Rahmens 15 eingeführt wird. Im Hinblick auf seine Beständigkeit gegenüber einer thermischen Ermüdung weist das verlötete Teil 22 eine ringartige Struktur auf, um seine Anschlussfläche zu vergrößern.
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Wenn der verlötete Teil 22 des Federanschlusses 8 an die Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates 12 angeschlossen ist, ist der geradlinige Teil 21 des Federanschlusses 8 zwischen dem Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 und der Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates 12 angeordnet. Das eine Ende des geradlinigen Teils 21 ist an der Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates 12 durch eine Lötverbindung befestigt und das andere Ende wird durch den Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 fixiert.
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Beim IGBT-Leistungsmodul 1 kommt als Basismaterial eine wärmebeständige Keramik zur Anwendung, die als Isoliermaterial für das im Gehäuse angeordnete Substrat 12 dient, und das im Gehäuse angeordnete Substrat 12 weist einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der sich von dem der Grundplatte 11 unterscheidet, auf welcher das im Gehäuse angeordnete Substrat 12 verlötet ist. Aus diesem Grund wird, wenn Warme während des Betriebs des IGBT-Leistungsmoduls 1 erzeugt wird, durch den unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten der miteinander durch Löten verbundenen Bauelemente eine Verwerfung der Grundplatte 11 bewirkt. Wenn in der Grundplatte 11 eine Verwerfung auftritt, erfolgt eine Relativbewegung zwischen der Position des verlöteten Teils 22 eines jeweiligen Federanschlusses 8 und der Position des Federanschluss-Druckaufnahmeteils 23 des zugehörigen Federanschlussteils 16, und eine Belastung tritt im geradlinigen Teil 21 und dem verlöteten Teil 22 des Federanschlusses 8 auf. Einer der Federanschlüsse 8, der in der Nähe der Mitte der Grundplatte 11 angeordnet ist, unterliegt einer beträchtlichen Relativbewegung (in einigen Fallen einer Verschiebung von einigen 100 μm). Dies bewirkt eine hohe Belastung des verlöteten Teils 22 des Federanschlusses 8, was zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit führt.
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Eine auf den verlöteten Teil 22 einwirkende Belastung, die durch derartige häufige thermische Zyklen verursacht wird, wird dadurch verhindert, dass der Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 sich verjüngend ausgebildet ist. Insbesondere wird, da sich der Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 verjüngt, lediglich der Umfang des gewendelten Teils 20 des Federanschlusses 8 durch den Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 abgestützt. Wie in 4 dargestellt, ist ein Verbindungsteil 24, welcher den gewendelten Teil 20 und den geradlinigen Teil 21 verbindet, zwischen diesen vorhanden. Durch das elastische Nachgeben des Verbindungsteils 24 wird die Relativbewegung zwischen dem Anschlussstück des verlöteten Teils 22 und dem Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 absorbiert, was eine Verringerung der auf das Anschlussstück des verlöteten Teils 22 einwirkenden Belastung ermöglicht.
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Voranstehend wurde ein Fall beschrieben, bei dem der Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 sich verjüngt, derart dass der Verbindungsteil 24 in axialer Richtung des geradlinigen Teils 21 verformt werden kann. Es braucht lediglich der Umfang des gewendelten Teils 20 des Federanschlusses 8 durch den Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 abgestützt zu werden. Demgemäß kann der Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 einen Niveauunterschied aufweisen, so dass lediglich der Umfang des gewendelten Teils 20 abgestützt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der 5 bis 7 beschrieben.
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Das eigentliche IGBT-Leistungsmodul 1 ist im in 2 dargestellten Gehäuse 2 untergebracht und weist ähnliches Aussehen auf. Wie in 5 dargestellt, ist ein im Gehäuse angeordnetes Substrat 12, bei dem Keramik als Basismaterial benutzt wird und das eine mit einer Kupferplatte bedeckte Unterseite aufweist, im Gehäuse 2 des IGBT-Leistungsmoduls 1 zur Wärmeabführung auf eine Grundplatte 11 gelötet. Auf der Vorderseite des Substrats 12 ist ein Schaltungsmuster ausgebildet. Ein Leistungshalbleiterbauteil umfasst das Substrat 12, den IGBT 13, der auf dem Substrat 12 montiert ist, und eines oder mehrere Halbleiterbauelemente, etwa eine oder mehrere Freilaufdioden, die nicht dargestellt sind und ebenfalls auf dem Substrat 12 montiert sind. An der Rückseite des IGBT 13 vorhandene Elektroden sowie die Freilaufdiode(n) sind mit dem Schaltungsmuster des Substrats 12 verbunden, und Elektroden an der Vorderseite sind mittels Drähten 14 mit dem Schaltungsmuster verbunden. Ein Ende der Federanschlüsse 8 ist jeweils mit einer Elektrode für Steuersignale im Leistungshalbleiterbauteil verbunden, insbesondere mit einem Schaltungsmuster, das mit dem Gateanschluss des IGBT 13 verbunden ist, und zwar entweder über ein Lot oder über einen leitenden Klebstoff. Hauptelektroden eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente, insbesondere die Kollektorelektrode eines IGBT, die Emitterelektrode eines IGBT, die Anode einer Freilaufdiode und Kathode einer Freilaufdiode sind mit im Gehäuse 2 angeordneten Hauptelektroden 25 verbunden. Alternativ können die Hauptelektroden 25 mit dem Schaltungsmuster 12 verbunden sein, das seinerseits mit den Hauptelektroden des oder der Halbleiterbauelemente verbunden ist. Die Oberseiten der im Gehäuse 2 angeordneten Hauptelektroden 25 sind so angeordnet, dass sie auf einem Niveau mit den zur Befestigung einer Platine dienenden Schraublöchern 9 liegen.
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Das Leistungsmodul kann ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) sein. Ein IPM ist ein IGBT-Leistungsmodul mit eingebauter Treiberschaltung für den IGBT. Eine Treiberschaltung gibt Steuersignale für das Gate des IGBT als Reaktion auf ein Steuersignal aus, das von einer externen Steuerschaltungsplatine geliefert wird. Die Steuerschaltungsplatine ist über die Federanschlüsse 8 angeschlossen. D. h., ein Ende der Treiberschaltung für den IGBT 13 bzw. des IPM ist mit einem Schaltungsmuster verbunden, mit dem die Federanschlüsse 8 verlötet sind.
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Die aus Kunstharz bestehenden Anschlussaufnahmeteile 16 sind integral mit der Abdeckung 7 ausgebildet, und zwar an Positionen, an welchen die Federanschlüsse 8 angeordnet sind. Jeder Federanschluss 8 weist gewendelte Teile von unterschiedlichem Außendurchmesser auf (die später noch beschrieben werden). Bei jedem Anschlussaufnahmeteil 16 der Abdeckung 7 ist eine Anschlussherausführöffnung 16a so ausgebildet, dass sie einen geringeren Durchmesser als der Außendurchmesser desjenigen gewendelten Teils des zugehörigen Federanschlusses 8 aufweist, welcher einen größeren Außendurchmesser als der andere gewendelte Teil aufweist. Somit wird der Federanschluss 8 durch den Anschlussaufnahmeteil 16 gehalten und erstreckt sich dabei um die Federkompressionstoleranz A aus einer Platinenkontaktebene 17 einer externen Steuerschaltungsplatine 26 heraus, so dass er sich nicht vom Gehäuse 2 löst.
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Die Platinen-Befestigungsschraublöcher 9 und die Positionierstifte 10 sind an vorbestimmten Positionen im Gehäuse 2 ausgebildet. Die externe Steuerschaltungsplatine 26 wird unter Verwendung der Positionierstifte 10 positioniert und wird dann mittels der Schraublöcher 9 bezüglich der Platinenkontaktebene 17 am IGBT-Leistungsmodul 1 befestigt. Dabei wird der gewendelte Teil eines jeden Federanschlusses 8 durch die Steuerschaltungsplatine 26 auf eine Federsolllänge zusammengedrückt. Die Kompressionstoleranz A für die Federanschlüsse 8 ist durch die Höhe der im Gehäuse 2 ausgebildeten Schraubenlöcher 9 zur Platinenbefestugung definiert, d. h. die Position der Platinenkontaktebene 17. Dies verhindert, dass durch die befestigte Steuerschaltungsplatine 26 über die Federanschlüsse 8 auf das im Gehäuse angeordnete Substrat 12 ein übermäßig großer Druck ausgeübt wird und kann einen geeigneten Kontakt gewährleisten.
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Wie in 6 dargestellt, weist jeder Federanschluss 8 auf: Einen gewendelten Teil 20, der aus einem ersten gewendelten Teil 20a mit einer Anschlusskontaktfläche 19 an seinem oberen Ende, die sich in direktem Druckkontakt mit der externen Steuerschaltungsplatine 26 befindet, und einem zweiten gewendelten Teil 20b besteht, der integral und koaxial am anderen Ende des ersten gewendelten Teils 20a ausgebildet ist und einen größeren Außendurchmesser als der erste gewendelte Teil 20a aufweist, einen geradlinigen Teil 21, der am unteren Ende des gewendelten Teils 20 integral ausgebildet ist und sich koaxial zum gewendelten Teil 20 erstreckt, und einen verlöteten Teil 22, der am unteren Ende des geradlinigen Teils 21 integral ausgebildet ist und mit der zugehörigen Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates verlötet ist.
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Der erste gewendelte Teil 20a des Federanschlusses 8 wird von der Anschlussherausführöffnung 16a des zugehörigen Anschlussaufnahmeteils 16 aufgenommen, hingegen wird der zweite gewendelte Teil 20b von einer in der Abdeckung 7 ausgebildeten Öffnung 7a aufgenommen. Die Anschlussherausführöffnung 16a und die Öffnung 7a sind koaxial ausgebildet. Da der Durchmesser der Öffnung 7a größer ist als der Durchmesser der Anschlussherausführöffnung 16a, wird an der Grenzfläche zwischen diesen Teilen eine Stufe 16b gebildet. Wenn die externe Steuerschaltungsplatine 26 am Gehäuse 2 des IGBT-Leistungsmoduls 1 befestigt wird, erfolgt ein Komprimieren des gewendelten Teils 20 des Federanschlusses 8. Dies bringt die Anschlusskontaktfläche 19 des Federanschlusses 8 mittels einer geeigneten Federkraft in Druckkontakt mit einer auf der externen Steuerschaltungsplatine 26 angeordneten Schaltung und sorgt für elektrischen Durchgang.
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Die zur Anschlusskontaktfläche 19 des Federanschlusses 8 entgegengesetzte Seite weist den geradlinigen Teil 21 auf, der für eine leitende Verbindung zum im Gehäuse angeordneten Substrat 12 sorgt. Wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, weist der geradlinige Teil 21 eine Länge auf, welche dem Abstand vom unteren Ende des gewendelten Teils 20 zum im Gehäuse angeordneten Substrat 12 entspricht, und der verlötete Teil 22 ist durch Verlöten an die zugehörige Elektrode des im Gehäuse angeordneten Substrates 12 angeschlossen.
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Die Vorbereitung der externen Steuerschaltungsplatine 26 erfolgt im Allgemeinen von Seiten des Benutzers, und die Handhabung des gewendelten Teils 20 eines jeden Federanschlusses 20 erfolgt mit einem gewendelten Teil, der aus der Abdeckung 7 um die Federkompressionstoleranz A hervorragt. Aus diesem Grund kann bei der Handhabung eines herkömmlichen IGBT-Leistungsmoduls oder der Montage der Steuerschaltungsplatine 26 ein Zug an der Anschlusskontaktfläche 19 des Federanschlusses 8 verursacht werden, wodurch eine Belastung entsteht. Demgemäß kann eine sichere Verbindung zwischen dem verlöteten Teil 22 und dem im Gehäuse angeordneten Substrat 12 beeinträchtigt werden.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Stufe 16b an der Grenzfläche zwischen der Abdeckung 7 und einem jeweiligen auf der Abdeckung ausgebildeten Anschlussaufnahmeteil 16 vorhanden, und der zugehörige zweite gewendelte Teil 20b verhindert, dass sich der Federanschluss 8 vom Gehäuse 2 löst. Somit wird, auch wenn ein Zug an der Anschlusskontaktfläche 19 des Federanschlusses 8 verursacht wird, die Verbindung zum im Gehäuse angeordneten Substrat 12 nicht nachteilig beeinflusst. Ein Ende des geraden Teils 21 der Federanschlüsse 8, das mit einem Schaltungsmuster entweder verlötet oder mittels eines leitenden Klebstoffs verbunden ist, ist mit einem Lot oder einem leitenden Klebstoff, das eine L-Form, eine kreisförmige Form oder dergleichen, jedenfalls keine geradlinige Form aufweist, verbunden. Eine solche Form verhindert das Abziehen von den Elektroden und verbessert die Fixierung an dem Schaltungsmuster 12.
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Um die Federanschlüsse 8 und das im Gehäuse angeordnete Substrat 12 durch Verlöten miteinander zu verbinden, ist ein Erwärmen auf ca. 250°C erforderlich. Wenn die Federanschlüsse 8 erhitzt werden, können sie glühend werden. Wenn andererseits ein warmaushärtender leitender Klebstoff verwendet wird, braucht die Erwärmungstemperatur für das Aushärten lediglich ca. 150°C zu betragen. Ein warmaushärtender leitender Klebstoff ist insofern vorteilhaft, da er keine Erwärmung auf eine hohe Temperatur erfordert und die Federanschlüsse 8 die ihnen eigene Federwirkung nicht verlieren.
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7 ist eine detaillierte Ansicht, welche zeigt, wie ein Steueranschluss von 6 durch einen Rahmen positioniert wird.
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Der Rahmen 15 in seiner Gesamtheit ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel z. B. als Gitter ausgebildet und weist eine große Anzahl von Öffnungen auf. Diese Öffnungen ermöglichen bei in das Gehäuse eingesetztem Rahmen 15 den Zugang eines Lötkolbens oder von heißem Gas zu Teilen, bei denen die Federanschlüsse 8 mit den Elektroden für die Steuersignale der Ansteuerschaltungen verlötet werden, die an dem im Gehäuse angeordneten Substrat 12 angebracht sind. Das untere Ende des zweiten gewendelten Teils 20b eines jeden Federanschlusses 8 kommt gegen den sich verjüngenden Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 des Rahmens 15 zur Anlage. Wenn die externe Steuerschaltungsplatine 26 am Gehäuse 2 befestigt ist, dient der Federanschluss-Drückaufnahmeteil 23 als Basis für das Komprimieren (Einfedern) des gewendelten Teils 20.
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Daher kann eine auf das verlötete Teil 22 einwirkende Belastung, die wie zuvor beschrieben durch thermische Zyklen verursacht wird, dadurch verhindert werden, dass der Federanschluss-Druckaufnahmeteil 23 sich verjüngend ausgebildet wird.
