DE102011083598B4 - Leistungsmodul und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (1) für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit mit einer Grundträgerplatte (9), auf die mindestens ein Leistungselektronikbaustein (3) über eine Anzahl von Kontaktbeinchen (5a, 5b, 21) derart kontaktiert ist, dass der Leistungselektronikbaustein durch die Kontaktbeinchen federnd gestützt ist, und einer Abschirmplatte (11a, 11b), die auf einer von der Grundträgerplatte (9) weg weisenden Seite des Leistungselektronikbausteins (3) angeordnet ist, wobei der Leistungselektronikbaustein (3) an seiner der Abschirmplatte (11a, 11b) zugewandten Seite mit einem Kühlelement (7) kontaktiert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit mit einer Grundträgerplatte, auf die mindestens ein Leistungselektronikbaustein über eine Anzahl von Kontaktbeinchen kontaktiert ist, und einer Abschirmplatte, die auf einer von der Grundträgerplatte weg weisenden Seite des Leistungselektronikbausteins angeordnet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls.
  • Ein derartiges Leistungsmodul ist insbesondere geeignet für Senderanordnungen im Rahmen eines Magnetresonanztomografen, in denen eine Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bzw. Wellen von Leistungmodulen unerlässlich ist. Da Leistungselektronikbausteine, beispielsweise Transistoren, derartige Strahlung generieren und hierdurch den Betrieb des Magnetresonanztomografen stören können, ist es unerlässlich, Störeinflüsse mithilfe einer Abschirmplatte möglichst vollumfänglich abzuschirmen.
  • 1 zeigt ein solches Leistungsmodul 1' gemäß Stand der Technik. Eine Grundträgerplatte 9 ist unterseitig mit einer durchgängigen Kupferschicht 29 versehen, die der Kontaktierung von Leistungselektronikbausteinen 3 – hier von Transistoren 3 – dient. Diese sind jeweils über Kontaktbeinchen 5 durch Verlöten mit der Grundträgerplatte 9 verbunden, d. h. darauf kontaktiert und zusätzlich vollflächig mit der Kupferschicht 29 verlötet. Auf der der Grundträgerplatte 9 entgegengesetzten Seite der Transistoren 3 befindet sich eine oberseitige Abschirmplatte 11a, die zusätzlich durch zwei Seitenwände 27 eine elektromagnetische Abschirmung der Transistoren 3 nach außen bietet. Zugleich verbinden die Seitenwände 27 die Grundträgerplatte 9 mit der Abschirmplatte 11a auch mechanisch.
  • Auf der der Abschirmplatte 11a entgegengesetzten Seite der Transistoren 3 ist unterseitig der Grundträgerplatte 9 ein Träger 31 angebracht, der außer der Grundträgerplatte 9 auch einen Stromversorgungs-Transistor 23 zur Stromversorgung der Leistungselektronikbausteine 3 aufweist. Die Stromeinspeisung vom Stromversorgungs-Transistor 23 in Richtung der Leistungselektronikbausteine 3 führt über eine Verbindungsleitung 25 zur Oberseite der Abschirmplatte 11a und von dort über eine weitere Verbindungsleitung 33 auf die Grundträgerplatte 9. Unterhalb der Leistungselektronikbausteine 3 in Richtung der Grundträgerplatte 9 ist jeweils in einer Kavität der Kupferschicht 29 bzw. des Trägers 31 ein Kühlelement 7 angeordnet. Dieses Kühlelement dient der Kühlung der Leistungselektronikbausteine 3.
  • Der hier gezeigte Grundaufbau ist aufwändig in seiner Realisierung. Insbesondere das Gewicht der Kupferschicht 29 ist erheblich, da sie vollflächig an der Grundträgerplatte 9 angebracht ist und eine erhebliche Dicke aufweist, um Wärme ausreichend in Richtung der Kühlelemente 7 ableiten zu können. Dadurch hat sie eine Masse, die die der Grundträgerplatte 9 um ein Vielfaches übertrifft. Zudem müssen entsprechende Kavitäten in der Kupferschicht 29 bzw. dem Träger 31 bereitgestellt werden, was einen besonders aufwändigen Herstellungsvorgang mit sich bringt. Ein weiteres erhebliches Problem besteht darin, dass in einem solchen Aufbau die Leistungselektronikbausteine 3 an ihrer Unterseite zum Zwecke der Kühlung vollflächig mit der Grundträgerplatte 9 bzw. der Kupferschicht 29 verbunden sein müssen. Dabei ist zu beachten, dass die Kontaktbeinchen 5 in ihrer Lage und Ausrichtung Toleranzen aufweisen, die im Kontaktbereich zur Grundträgerplatte 9 einen Höhenunterschied von bis zu 20 μm betragen können. Auch die Planarität der Grundträgerplatte 9 selbst kann um bis zu 10% variieren. Dies wiederum bedeutet, dass eine vollflächige Aufbringung der Leistungselektronikbausteine 3 auf der Grundträgerplatte 9 unter erheblich erschwerten Bedingungen durchgeführt wird, da dabei all diese Toleranzen ausgeglichen werden müssen und mechanische Spannungen entstehen können. Dies erschwert den Herstellungsprozess nochmals erheblich, macht ihn zeit- und materialaufwändig und führt zudem zu einer erhöhten Menge an Ausschuss.
  • In der US 6 049 469 A wird ein Leistungsmodul mit einer CPU beschrieben, welches auf einer Grundplatte montiert ist. Weiterhin umfasst das Leistungsmodul auf der von der Grundplatte abgewandten Seite der CPU eine Schutzeinrichtung. Diese dient der Abschirmung von elektromagnetischen Emissionen und gleichzeitig dem Ableiten von Wärme, welche von der CPU erzeugt wurde.
  • In der DE 40 07 566 A1 sind geschaltete Transistoren in einer Brückenschaltung gezeigt. Die Transistoren sind auf einem thermisch und elektrisch leitenden Ring befestigt und symmetrisch über diesen Ring verteilt. Die Verlustwärme der Transistoren wird über die Ringe gleichmäßig abgeführt, so dass alle Transistoren bei gleicher Temperatur arbeiten.
  • In der US 2009/0160443 A1 wird eine elektronische Schaltung einer Magnetresonanzanlage beschrieben. Die elektronische Schaltung umfasst eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen, welche mit einer Wärmeabführung verbunden sind, wobei die Wärmeabführung mit Hilfe eines Ventilators gekühlt wird.
  • In der DE 10 2009 015 237 A1 wird ein Wasser führendes Kühlsystem für ein elektronisches oder elektrisches Bauteil mit einem nahe an dem Bauteil angeordneten Wärmetauscher beschrieben. Eine Pumpe versorgt den Wärmetauscher mit abgekühltem Wasser, welches mit Hilfe eines Kühlers gekühlt wird.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, wie ein Leistungsmodul der eingangs genannten Art einfacher und effektiver bereitzustellen und oder zu betreiben ist. Insbesondere wird es dabei bevorzugt, die oben genannten Probleme durch die Toleranzen und/oder durch die große Masse im Bereich der Grundträgerplatte möglichst zu überwinden und den Herstellungsprozess möglichst einfacher und/oder effektiver und/oder materialsparender zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungsmodul gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
  • Demgemäß ist der Leistungselektronikbaustein an seiner der Abschirmplatte zugewandten Seite mit einem Kühlelement kontaktiert. Dabei weist die Grundträgerplatte bevorzugt eine integrierte Leiterstruktur auf; sie ist also bevorzugt als Platine realisiert. Diese Platine weist besonders bevorzugt im Gegensatz zum Stand der Technik keine vollflächige Metallfläche an ihrer Unterseite auf, sondern Leiterstrukturen, die als diskret vorliegende Strukturen mit entsprechenden Zwischenräumen ohne Leiterfunktion realisiert sind.
  • Insbesondere umfasst der Leistungselektronikbaustein einen Transistor, bevorzugt einen Hochleistungstransistor – d. h. einen Transistor mit einer Nennleistung von mindestens 600 W. Beispielsweise kann der von der Firma Microsemi vertriebene Transistor ARF476F zum Einsatz kommen. Unter einer Kontaktierung des Leistungselektronikbausteins mit dem Kühlelement wird nicht zwangsläufig ein physisches Inkontaktbringen von Leistungselektronikbaustein und Kühlelement verstanden; entscheidend ist vielmehr, dass der Leistungselektronikbaustein und das Kühlelement in einen Wirkzusammenhang gebracht werden, der sich dadurch auszeichnet, dass das Kühlelement so nah am Leistungselektronikbaustein angeordnet ist, dass es abgestrahlte Wärme von diesem zu einem hohen Prozentsatz, bevorzugt mindestens 50%, aufnehmen kann und im Betrieb absorbiert und/oder wegleitet.
  • Die Erfindung wendet sich also ab von dem bisherigen Prinzip, die Kühlung des Leistungselektronikbausteins an der Seite durchzuführen, in deren Richtung auch die Kontaktbeinchen weisen. Sie machte es sich vielmehr zunutze, dass oberseitig, das heißt auf der anderen Seite des Leistungselektronikbausteins, von der Grundträgerplatte weg weisend, ohnehin die Abschirmplatte voll- oder teilflächig angebracht ist. An dieser Oberseite des Leistungselektronikbausteins kann die Abführung von Wärme genauso gut durchgeführt werden wie an seiner Unterseite, jedoch mit dem Effekt, dass die flächige Kontaktierung des Leistungselektronikbausteins mit der Grundträgerplatte obsolet wird und im Endeffekt lediglich eine Kontaktierung über die Kontaktbeinchen genügt. Dies führt dazu, dass Bauteil- und Oberflächentoleranzen im Bereich des Kontakts zwischen der Grundträgerplatte und dem Leistungselektronikbaustein viel einfacher ausgeglichen werden können. Im Endeffekt kann der Leistungselektronikbau förmlich ”in der Luft hängen”, gemäß der Erfindung nur federnd gestützt durch die Kontaktbeinchen. Das Einhalten enger Toleranzen sowohl der Kontaktbeinchen als auch der Planarität der Grundträgerplatte ist nicht notwendig; es können daher auch solche Leistungselektronikbausteine und Grundträgerplatten eingesetzt werden, die die oben genannten Toleranzwerte nicht einhalten. Günstigere und einfacher herstellbare Leistungselektronikbausteine und Grundträgerplatten können also verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt also das Prinzip zugrunde, die beiden Kontaktierungszwecke, nämlich die Kontaktierung zur galvanischen Stromübertragung einerseits und die Kontaktierung zur Wärmeabführung andererseits, voneinander funktional und räumlich zu trennen. Dabei macht sie es sich zunutze, dass mit der Abschirmplatte ohnehin auf der der Grundträgerplatte entgegengesetzten Seite des Leistungselektronikbausteins eine potenziell tragende Struktur vorliegt, die genauso wie bisher die Grundträgerplatte als Trägerstruktur für das Kühlelement fungieren kann. Mit anderen Worten: Die galvanische Kontaktierungsebene ist ungleich der Kontaktierungsebene zur Kühlung.
  • Ein solches Aufbauprinzip eines Leistungsmoduls ist besonders geeignet beim Einsatz in Magnetresonanztomografen und dabei insbesondere zum Verbau in einer Hochfrequenz-Verstärkereinheit, die elektromagnetische Felder in einer Körperspule des Magnetresonanztomografen moduliert. Da die Verstärkungsleistungen, insbesondere der Transistoren, sehr hoch sind und der Bauraum in einem solchen Hochleistungsverstärker gleichzeitig begrenzt, wird eine möglichst kompakte Anordnung der Leistungselektronikbausteine bei gleichzeitig hoher Kühldichte benötigt. Außerdem müssen Leistungsmodule in Magnetresonanztomografen auf jeden Fall elektromagnetisch abgeschirmt werden, um Störfelder zu vermeiden. Es ist also ohnehin die Abschirmplatte vorgesehen, die eine im Wesentlichen parallele Referenzebene zu der der Grundträgerplatte definiert und die nun bevorzugt zusätzlich als Träger des Kühlelements dient.
  • Die Erfindung umfasst daher auch eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit eines Magnetresonanztomografiesystems, insbesondere eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit einer Körperspule des Magnetresonanztomografiesystems, die eine Anzahl von erfindungsgemäßen Leistungsmodulen aufweist, sowie eine Hochfrequenzantennenanordnung, insbesondere eine Hochfrequenzsendeanordnung (bevorzugt einer Körperspule), mit einer Hochfrequenzantenne und einer erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Verstärkereinheit. Zudem umfasst die Erfindung auch ein Magnetresonanztomografiesystem mit einer Hochfrequenzantennenanordnung und einer erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Verstärkereinheit. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Leistungsmodul bevorzugt ausgebildet als Leistungsmodul eines Magnetresonanztomografiesystems, insbesondere für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit einer Körperspule des Magnetresonanztomografiesystems.
  • Ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art umfasst erfindungsgemäß mindestens die folgenden Schritte:
    • – Bereitstellung einer Grundträgerplatte,
    • – Kontaktierung von mindestens einem Leistungselektronikbaustein über eine Anzahl von Kontaktbeinchen auf der Grundträgerplatte derart, dass der Leistungselektronikbaustein durch die Kontaktbeinchen federnd gestützt ist,
    • – Anordnung einer Abschirmplatte auf einer von der Grundträgerplatte weg weisenden Seite des Leistungselektronikbausteins,
    • – Kontaktierung des Leistungselektronikbausteins an seiner der Abschirmplatte zugewandten Seite mit einem Kühlelement.
  • Im Rahmen dieses Verfahrens ist die Reihenfolge der Schritte bevorzugt die hier aufgezählte, es können jedoch auch andere Reihenfolgen gewählt werden.
  • Weitere besondere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das Herstellungsverfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen zum Leistungsmodul weitergebildet sein.
  • Grundsätzlich ist es denkbar, dass unterhalb des Leistungselektronikbausteins (d. h. im Bereich der Grundträgerplatte) trotz der oberseitigen Kühlung ebenfalls ein Kühlelement angebracht ist, beispielsweise ein Kühlelement, das sich ring- oder U-förmig um den Leistungselektronikbaustein herum erstreckt und somit sowohl in der Kontaktebene des Leistungselektronikbaustein mit der Grundträgerplatte als auch auf der dieser Ebene entgegengesetzten Ebene des Leistungselektronikbausteins verläuft. In einem solchen Fall erfolgt also die Kühlung des Leistungselektronikbausteins entlang zweier seiner Seiten. Dies hat den Vorteil, dass er besonders effektiv und schnell gekühlt werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Grundträgerplatte in einem Bereich, oberhalb dessen der Leistungselektronikbaustein positioniert ist, kühlelementfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet nämlich, dass die Bauhöhe im Bereich der Grundträgerplatte und auch ihr Gewicht möglichst gering sein kann, da die Kühlung ja über das Kühlelement oberseitig des Leistungselektronikbausteins, das heißt von der Grundträgerplatte abgewandt, erfolgt. Insbesondere ist dann auch keine durchgehende Kupferschicht notwendig, mit der die Grundträgerplatte versehen ist.
  • Überhaupt ist es bevorzugt, dass die Grundträgerplatte keine durchgehende Kontaktierungsschicht aufweist, sondern stattdessen insbesondere auf einer dem Leistungselektronikbaustein zugewandten Oberfläche punktuelle und/oder teilflächige Kontaktbereiche zur galvanischen Kontaktierung aufweist. Hierdurch ergeben sich leichtere, partielle Kontaktbereiche, die gezielt dort angebracht sind, wo eine Kontaktierung mit dem Leistungselektronikbaustein oder auch anderen elektronischen Komponenten notwendig ist.
  • Grundsätzlich kann ein Leistungsmodul genau einen Leistungselektronikbaustein aufweisen, der in der erfindungsgemäßen Art angebracht und gekühlt ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Leistungsmodul eine Mehrzahl von Leistungselektronikbausteinen aufweist, je nach Aufbau und Zweck beispielsweise 8 oder 12 Transistoren pro Leistungsmodul, wobei in einer Hochfrequenz-Verstärkereinheit der oben genannten Art beispielsweise vier solcher Leistungsmodule zum Einsatz kommen. Der Einsparungseffekt durch reduzierte Materialkosten und Arbeitsaufwände ist in einer solchen Anwendung also auf jeden Fall vervielfacht. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Leistungsmodul mindestens zwei Leistungselektronikbausteine aufweist, wobei mindestens diese beiden Leistungselektronikbausteine an einander abgewandten Oberflächen der Grundträgerplatte mit dieser kontaktiert sind. Leistungselektronikbausteine werden also auf beiden prinzipiellen Oberflächen der Grundträgerplatte kontaktiert, woraus sich potenziell eine Verdoppelung der Menge an Leistungselektronikbausteinen auf derselben Fläche der Grundträgerplatte ergeben kann. Trotz einer solchen Verdoppelung von Leistungselektronikbausteinen ist nicht damit zu rechnen, dass die Kühlung nicht mehr ausreicht. Dies hängt damit zusammen, dass ja mindestens einer der beiden Leistungselektronikbausteine an seiner der Grundträgerplatte abgewandten Seite gekühlt wird. Bevorzugt ist dabei, dass beide Leistungselektronikbausteine (bevorzugt an ihren jeweiligen von der Grundträgerplatte abgewandten Seiten) durch ein Kühlelement gekühlt werden. Dabei kann jeweils ein Kühlelement einem der beiden Leistungselektronikbausteine funktional zugewiesen sein; es kann jedoch auch ein gemeinsames Kühlelement für beide Leistungselektronikbausteine verwendet werden, das sich dann wiederum auch ring- oder U-förmig erstrecken kann und dieses Mal die beiden Leistungselektronikbausteine kontaktiert, etwa dadurch, dass es an den jeweiligen Seiten der Leistungselektronikbausteine mit diesen kontaktiert wird, die von der Grundträgerplatte weg weisen.
  • Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass in einem Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungselektronikbausteinen zwei Leistungselektronikbausteine an derselben Oberfläche der Grundträgerplatte mit dieser kontaktiert sind. Die Leistungselektronikbausteine können also in Reihe bzw. in einer Matrixanordnung auf derselben Oberfläche der Grundträgerplatte angeordnet sein und dann, beispielsweise durch strangartige Kühlelemente, die an der von der Grundträgerplatte abgewandten Seite der Leistungselektronikbausteine verlaufen und diese miteinander oberseitig verbinden, gekühlt werden. Hierdurch ist eine besonders effektive Kühlung mehrerer Leistungselektronikbausteine gleichzeitig möglich und zudem eine bessere oberseitige mechanische Stabilisierung realisierbar.
  • Bei einem Leistungsmodul mit mindestens zwei Leistungselektronikbausteinen wird es allgemein bevorzugt, dass die Leistungselektronikbausteine an ihrer jeweiligen der Grundträgerplatte abgewandten Seite, bevorzugt gemeinsam, mit einem Kühlelement kontaktiert sind. Das Kühlelement dient also der gleichzeitigen Kühlung mehrerer Leistungselektronikbausteine auf der der Grundträgerplatte jeweils abgewandten Seite dieser Leistungselektronikbausteine. Hierdurch können Material und Bauraum eingespart werden.
  • Neben den üblichen Ausgängen von Leistungselektronikbausteinen zur Signalweiterverarbeitung bzw. Verstärkung ist meist eine Erdungs- bzw. Masseverbindung erwünscht. Dabei wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass der Leistungselektronikbaustein eine Erdungsverbindung mit der Abschirmplatte aufweist. Die Erdung erfolgt also nicht bzw. nicht ausschließlich, wie bisher üblich, mit der Grundträgerplatte, sondern mindestens ebenfalls oder ausschließlich in Richtung der Abschirmplatte.
  • Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der Leistungselektronikbaustein auch eine Erdungsverbindung mit der Grundträgerplatte aufweist und bevorzugt die Abschirmplatte mit der Grundträgerplatte über die Erdungsverbindung mechanisch verbunden ist. Hieraus ergibt sich eine zusätzliche mechanische Stabilisierung, die beispielsweise so realisiert sein kann, dass die Erdung bzw. Masseverbindung mit der Grundträgerplatte über ein (oder mehrere) Kontaktbeinchen erfolgt und andererseits das ebenfalls über die Kontaktbeinchen geerdete Gehäuse des Leistungselektronikbausteins über eine Schraub- oder ähnlich geartete Befestigungsverbindung (Löten, Nieten, leitfähige Verklebung u. v. m.) mit der Abschirmplatte verbunden ist. Grundträgerplatte und Abschirmplatte sind also mit der Masse verbunden bzw. geändert und zugleich miteinander mechanisch in einen stabilen Verbund gebracht.
  • Als Kühlelemente eignen sich grundsätzlich alle solchen Vorrichtungen, die Wärme aus dem Leistungselektronikbaustein schnell und in großem Umfang nach außen ableiten, dass heißt weg vom Leistungselektronikbaustein führen. Dies kann beispielsweise durch einfache Metallplatten ausreichender Dicke realisiert sein, bevorzugt ist jedoch eine Kühlung, bei der das Kühlelement eine Hohlkammer umfasst, da hierdurch kostengünstig, material- und raumsparend gekühlt werden kann. Diese Hohlkammer beinhaltet, das heißt umfasst, bevorzugt ein Kühlungsfluid, besonders bevorzugt ein durch die Hohlkammer fließendes Kühlungsfluid. Das Kühlelement ist also Teil eines durchströmten Kanalsystems, das beispielsweise auch einen Kältespeicher an anderer geeigneter Verbaustelle umfassen kann bzw. das durch die Strömung des Kühlungsfluids ausreichend Wärme nach außerhalb des Leistungsmoduls zu absorbieren vermag. Ein solches Fluid kann Gas, insbesondere jedoch (aufgrund der höheren Wärmeaufnahme) eine Flüssigkeit umfassen, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit, deren Wärmeleitfähigkeit mindestens der von Wasser entspricht. Wasser hat sich hier beispielsweise als gutes Kühlungsfluid erwiesen.
  • Alternativ oder ergänzend umfasst das Kühlelement eine direkt mit dem Leistungselektronikbaustein verbundene Isolationsschicht, die den Leistungselektronikbaustein elektrisch isoliert und/oder ihn elektromagnetisch abschirmt. Eine solche Isolationsschicht kann beispielsweise Materialien wie Aluminiumnitrid (AlN) oder andere Isolationsmaterialien mit ähnlichen Wärmeleitungseigenschaften umfassen, die gleichzeitig elektrisch isolierend und bevorzugt auch elektromagnetisch abschirmend wirken. Ein alternatives Material zu AlN ist beispielsweise BeO (Berylliumoxid) oder Al2O3 (Aluminiumoxid), wobei BeO zwar gut thermisch leitend, aber auch giftig ist, während Al2O3 nicht so gut Wärme leitet wie die beiden anderen Materialien.
  • Wie bereits erwähnt, ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Toleranzen in den Bauhöhen der Kontaktbeinchen bzw. der Planarität der Grundträgerplatte dadurch nicht weiter ins Gewicht fallen, dass es nicht mehr notwendig ist, den Leistungselektronikbaustein zum Zweck der Kühlung vollflächig mit der Grundträgerplatte zu verbinden. Insofern ist es im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt, dass der Leistungselektronikbaustein mit der Grundträgerplatte teilflächig verbunden ist. Eine solche teilflächige Verbindung umfasst insbesondere auch nur punktuelle Verbindungen, beispielsweise Verbindungen über die Kontaktbeinchen und/oder eine Erdungsverbindung. Hieraus ergibt sich eine federnde mechanische Verbindung zwischen dem Leistungselektronikbaustein und der Grundträgerplatte, bei der gleichzeitig Bautoleranzen nicht mehr ins Gewicht fallen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Leistungsmoduls gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
  • 3 eine schematische Draufsicht auf dasselbe Leistungsmodul wie in 2, zusätzlich mit einer stark schematisierten Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomografen mitsamt einiger seiner Komponenten,
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie IV-IV aus 2 mit Details aus derselben Figur.
  • 1 wurde zur Erläuterung des Standes der Technik bereits eingangs beschrieben.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 1 in einer Schnittdarstellung, hier ein Grundbauteil eines Hochfrequenz-Verstärkers, das eine Leistung von 8 kW hat und von dem vier Stück im Hochfrequenz-Verstärker angeordnet sind. Auf einer Grundträgerplatte 9 sind beidseitig jeweils Leistungselektronikbausteine 3, nämlich Transistoren 3, angebracht. Jeweils zwei Transistoren 3 sind auf der Grundträgerplatte 9 einander gegenüberliegend angebracht. Alle Transistoren 3 sind mithilfe erster Kontaktbeinchen 5a – den Gate-Kontakten der Transistoren 3 – und zweiten Kontaktbeinchen 5b – den Drain-Kontakten der Transistoren 3 – mit der Grundträgerplatte 9 sowohl galvanisch als auch mechanisch verbunden. Die Kontaktbeinchen 5a, 5b sind hierzu mit Kontaktbereichen in der Grundträgerplatte 9 fest verbunden. Innerhalb bzw. an den Oberflächen der Grundträgerplatte 9 verlaufen Leiterbahnen (nicht dargestellt), die Signale aus den Transistoren 3 jeweils weiterleiten.
  • Auf den jeweiligen Seiten der Transistoren 3, die von der Grundträgerplatte 9 weg weisen, sind Kühlelemente 7 angebracht. Diese umfassen an ihren den Transistoren 3 jeweils zugewandten Seiten Isolationsschichten 13 aus AlN. Jenseits der Kühlelemente 7, also abgewandt von der Grundträgerplatte 9 in Bezug auf die Transistoren 3, sind zwei Abschirmplatten 11a auf der Oberseite und 11b auf der Unterseite des Leistungsmoduls 1 angebracht. Diese Abschirmplatten 11a, 11b dienen der Abschirmung von elektromagnetischen Strahlen bzw. Wellen nach außerhalb des Leistungsmoduls 1. Solche Strahlen bzw. Wellen entstehen durch den Betrieb der Transistoren 3. Somit ist zwischen den beiden Abschirmplatten 11a, 11b ein Bereich definiert, innerhalb dessen elektromagnetische Strahlungen bzw. Wellen generiert werden, die jedoch nicht nach außen dringen können. Zwischen der Grundträgerplatte 9 und den beiden Abschirmplatten 11a, 11b entsteht jeweils eine sogenannte RF-Kavität, innerhalb derer die Transistoren 3 angeordnet sind.
  • Die Kühlelemente 7 umfassen einen Hohlkörper, der von einem Kühlungsfluid, beispielsweise Wasser, durchflossen ist. Hierdurch wird die Wärme, die durch die Transistoren 3 generiert wird, jeweils auf der von der Grundträgerplatte 9 abgewandten Seite der Transistoren 3 abgeleitet.
  • Im Gegensatz zum in 1 gezeigten Stand der Technik (die Stromversorgung ist in 2 nicht eigens gezeigt) sind die Leistungselektronikbausteine 3 mit der Grundträgerplatte 9 nicht vollflächig verbunden, sondern lediglich lokal durch die Kontaktbeinchen 5a, 5b bzw. durch weitere Kontaktbeinchen 21, wie in 3 zu sehen ist. Dies ist dadurch möglich, dass die Kühlelemente 7 an der von der Grundträgerplatte 9 weg weisenden Seite der Transistoren 3 angebracht sind, weshalb keine vollflächige Verbindung der Transistoren 3 mit der Grundträgerplatte 9 notwendig ist. Toleranzen der Kontaktbeinchen 5a, 5b bzw. der Planarität der Grundträgerplatte 9 können somit einfach ausgeglichen werden.
  • Zur besseren Verdeutlichung zeigt 3 eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 1, wobei die Abschirmplatte 11a hier nicht mit dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass insgesamt vier Leistungselektronikbausteine 3 auf der Grundträgerplatte 9 auf einer Oberfläche angebracht sind. Es ist auch zu erkennen, dass die Transistoren 3 jeweils zwei Kontaktbeinchen 21 aufweisen, die als Masse- bzw. Erdungsverbindung dienen. Diese sind ebenfalls mit der Grundträgerplatte 9 verbunden. Über eine durchlaufende Leitungsverbindung 19, die alle Masse-Kontaktbeinchen 21 miteinander galvanisch verbindet, wird eine galvanische Kontaktierung der Masseverbindungen mit einer breiteren Leiterbahn 17 in der Grundträgerplatte 9 realisiert. Ein weiterer Leiterbereich 15 in der Grundträgerplatte 9 verbindet jeweils die beiden Drain-Kontaktbeinchen 5b eines Transistors 3 mit denen eines benachbarten Transistors 3. Auf ähnliche Art und Weise können auch die Gate-Kontaktbeinchen 5a jeweils mit denen des nächstgelegenen Transistors 3 verbunden werden.
  • Das Leistungsmodul 1 ist hier realisiert als ein Teil einer Hochfrequenz-Verstärkereinheit 35 eines (schematisch angedeuteten) Magnetresonanztomografiesystems 41. Die Hochfrequenz-Verstärkereinheit 35 (ebenfalls schematisch angedeutet) ist dabei Teil einer (auch nur schematisch angedeuteten) Hochfrequenzantennenanordnung 39 für eine Körperspule des Magnetresonanztomografiesystems 41. Diese Hochfrequenzantennenanordnung 39 umfasst neben der Hochfrequenz-Verstärkereinheit 35 auch eine Hochfrequenzantenne 37.
  • 4 zeigt in einer Schnittansicht senkrecht zum Schnitt in 2 den Aufbau eines einzelnen Transistors 3 mitsamt einer oberhalb liegenden Isolationsschicht 13, die bereits als Teil des Kühlelemente 7 aufgefasst werden kann, die jedoch auch einstückig mit dem Transistor 3 realisiert und durch weitere Teile des Kühlelemente 7 ergänzt werden kann.
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei den dargestellten Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Leistungsmodul
    3
    Leistungselektronikbaustein – Transistor
    5
    Kontaktbeinchen
    5a
    erste Kontaktbeinchen – Gate-Kontakte
    5b
    zweite Kontaktbeinchen – Drain-Kontakte
    7
    Kühlelement
    9
    Grundträgerplatte
    11a, 11b
    Abschirmplatten
    13
    Isolationsschicht
    15
    Leiterbereich
    17
    Leiterbahn
    19
    Leitungsverbindung
    21
    Kontaktbeinchen – Masse- bzw. Erdungsverbindung
    23
    Stromversorgungs-Transistor
    25
    Verbindungsleitung
    27
    Seitenwände
    29
    Kupferschicht
    31
    Träger
    33
    Verbindungsleitung
    35
    Hochfrequenz-Verstärkereinheit
    37
    Hochfrequenzantenne
    39
    Hochfrequenzantennenanordnung
    41
    Magnetresonanztomografiesystem

Claims (15)

  1. Leistungsmodul (1) für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit mit einer Grundträgerplatte (9), auf die mindestens ein Leistungselektronikbaustein (3) über eine Anzahl von Kontaktbeinchen (5a, 5b, 21) derart kontaktiert ist, dass der Leistungselektronikbaustein durch die Kontaktbeinchen federnd gestützt ist, und einer Abschirmplatte (11a, 11b), die auf einer von der Grundträgerplatte (9) weg weisenden Seite des Leistungselektronikbausteins (3) angeordnet ist, wobei der Leistungselektronikbaustein (3) an seiner der Abschirmplatte (11a, 11b) zugewandten Seite mit einem Kühlelement (7) kontaktiert ist.
  2. Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, ausgebildet als Leistungsmodul eines Magnetresonanztomografiesystems (41), insbesondere für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit (35) einer Körperspule des Magnetresonanztomografiesystems (41).
  3. Leistungsmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Grundträgerplatte (9) in einem Bereich, oberhalb dessen der Leistungselektronikbaustein (3) positioniert ist, kühlelementfrei ausgebildet ist.
  4. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundträgerplatte (9) auf einer dem Leistungselektronikbaustein (3) zugewandten Oberfläche punktuelle und/oder teilflächige Kontaktbereiche zur galvanischen Kontaktierung aufweist.
  5. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens zwei Leistungselektronikbausteine (3), wobei mindestens die beiden Leistungselektronikbausteine (3) an einander abgewandten Oberflächen der Grundträgerplatte (9) mit dieser kontaktiert sind.
  6. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens zwei Leistungselektronikbausteine (3), wobei die Leistungselektronikbausteine (3) an ihrer jeweiligen der Grundträgerplatte (9) abgewandten Seite, bevorzugt gemeinsam, mit einem Kühlelement (7) kontaktiert sind.
  7. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungselektronikbaustein (3) eine Erdungsverbindung (21) mit der Abschirmplatte (11a, 11b) aufweist.
  8. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungselektronikbaustein (3) eine Erdungsverbindung (21) mit der Grundträgerplatte (9) aufweist und bevorzugt die Abschirmplatte (11a, 11b) mit der Grundträgerplatte (9) über die Erdungsverbindung (21) mechanisch verbunden ist.
  9. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (7) eine Hohlkammer umfasst, bevorzugt umfassend ein Kühlungsfluid, besonders bevorzugt ein durch die Hohlkammer fließendes Kühlungsfluid.
  10. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (7) eine direkt mit dem Leistungselektronikbaustein (3) verbundene Isolationsschicht (13) aufweist, die den Leistungselektronikbaustein (3) elektrisch isoliert und/oder ihn elektromagnetisch abschirmt.
  11. Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungselektronikbaustein (3) mit der Grundträgerplatte (9) teilflächig verbunden ist.
  12. Hochfrequenz-Verstärkereinheit (35) eines Magnetresonanztomografiesystems (41), insbesondere Hochfrequenz-Verstärkereinheit einer Körperspule des Magnetresonanztomografiesystems (41), aufweisend eine Anzahl von Leistungsmodulen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Hochfrequenzantennenanordnung (39), insbesondere Hochfrequenzsendeanordnung, mit einer Hochfrequenzantenne (37) und einer Hochfrequenz-Verstärkereinheit (35) gemäß Anspruch 12.
  14. Magnetresonanztomografiesystem (41) mit einer Hochfrequenzantennenanordnung (39) und einer Hochfrequenz-Verstärkereinheit (35) gemäß Anspruch 12.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls (1) für eine Hochfrequenz-Verstärkereinheit (35), mindestens umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellung einer Grundträgerplatte (9), – Kontaktierung von mindestens einem Leistungselektronikbaustein (3) über eine Anzahl von Kontaktbeinchen (5a, 5b, 21) auf der Grundträgerplatte (9) derart, dass der Leistungselektronikbaustein durch die Kontaktbeinchen federnd gestützt ist, – Anordnung einer Abschirmplatte (11a, 11b) auf einer von der Grundträgerplatte (9) weg weisenden Seite des Leistungselektronikbausteins (3), – Kontaktierung des Leistungselektronikbausteins (3) an seiner der Abschirmplatte (11a, 11b) zugewandten Seite mit einem Kühlelement (7).
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