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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitermodulen sind im Allgemeinen auf einem Substrat Leistungshalbleiterbauelemente, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter und Dioden angeordnet und mittels einer Leiterschicht des Substrats, Bonddrähten und/oder einem Folienverbund miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z. B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form von Thyristoren vor.
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Die auf dem Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente sind dabei häufig elektrisch zu einer einzelnen oder mehreren sogenannten Halbbrückenschaltungen verschalten, die üblicherweise zum Gleich- und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet werden. Das Substrat wird in der Regel direkt oder indirekt mit einem Kühlkörper verbunden.
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Aus der
DE 103 55 925 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem Leistungshalbleiterbauelemente mittels eines Folienverbundes elektrisch miteinander verbunden werden.
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Aus der
EP 2 544 231 A2 ist ein leistungselektronisches System mit einer Kühleinrichtung, einer Mehrzahl von ersten flächigen Isolierstoffkörpern, einer Mehrzahl von ersten Leiterbahnen und mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement, mindestens einer internen Verbindungseinrichtung und mit externen Anschlusselementen bekannt.
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Die elektrischen laststromtragenden Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen untereinander und zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und Laststromanschlusselementen des Leistungshalbleitermoduls weisen parasitäre Induktivitäten auf, die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls zu Überspannungen an den Leistungshalbleiterbauelementen führen können. Zur Minimierung der Überspannungen ist ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermoduls wünschenswert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, das einen besonders niederinduktiven Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, wobei das Substrat einen Isolierstoffkörper und eine auf dem Isolierstoffkörper angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht aufweist, die voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leiterbahnen ausbildet, wobei auf einer ersten Leiterbahn ein erstes Leistungshalbleiterbauelement, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist, wobei auf einer zweiten Leiterbahn ein zweites Leistungshalbleiterbauelement, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements mit der zweiten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist, wobei das Leistungshalbleitermodul ein erstes und ein zweites Gleichspannungslaststromanschlusselement aufweist, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement entlang einer lateralen ersten Richtung des Substrats angeordnet sind und das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement hintereinander angeordnet sind, wobei das Leistungshalbleitermodul einen Folienverbund, der eine erste metallische Folienschicht und eine strukturierte zweite metallische Folienschicht und eine zwischen der ersten und der zweiten metallischen Folienschicht angeordnete elektrisch isolierende Folienschicht aufweist, aufweist, wobei der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements mit der zweiten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist und die zweite metallische Folienschicht mit der zweiten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist, wobei das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement mit der ersten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement mit der ersten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement auf einer gemeinsamen Seite im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement angeordnet sind.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement entlang der lateralen ersten Richtung des Substrats angeordnet sind und das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement entlang der ersten Richtung des Substrats hintereinander angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement entlang der ersten Richtung des Substrats auf einer gemeinsamen Seite im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonderes des niederinduktive Realisierung des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sind, da dies eine übliche Ausbildung des ersten und des zweiten Leistungshalbleiterbauelement darstellt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn auf der ersten Leiterbahn ein drittes Leistungshalbleiterbauelement, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss des dritten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist, wobei auf der zweiten Leiterbahn ein viertes Leistungshalbleiterbauelement, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss aufweist, angeordnet ist und der erste Laststromanschluss des vierten Leistungshalbleiterbauelements mit der zweiten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist, wobei das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement entlang der ersten Richtung des Substrats angeordnet sind, wobei der zweite Laststromanschluss des dritten Leistungshalbleiterbauelements mit der zweiten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Laststromanschluss des vierten Leistungshalbleiterbauelements mit der ersten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement auf einer gemeinsamen Seite im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement angeordnet sind. Hierdurch wird eine niederinduktive Realisierung einer techniküblichen Halbbrückenschaltung, die mindestens vier Leistungshalbleiterbauelemente aufweist, ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement entlang der ersten Richtung des Substrats auf einer gemeinsamen Seite im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonderes des niederinduktive Realisierung des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement als Diode ausgebildet sind, da dies eine übliche Ausbildung des dritten und des vierten Leistungshalbleiterbauelements darstellt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement einen, insbesondere in der ersten Richtung des Substrats verlaufenden, Sockel und einen weg vom Substrat verlaufenden ersten Abschnitt aufweist, wobei das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement über den Folienverbund mit dem Sockel des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements mechanisch verbunden ist, da hierdurch eine besonders eng benachbarte Anordnung des ersten und des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements und somit ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermodul ermöglicht wird.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement einen weg vom Substrat verlaufenden ersten Abschnitt aufweist, wobei das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement über den Folienverbund mit der ersten Leiterbahn mechanisch verbunden ist, da hierdurch eine flexible Anordnung des zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement ermöglicht wird.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement einen weg vom Substrat verlaufenden ersten Abschnitt aufweist, wobei zwischen dem ersten Abschnitt des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements und dem ersten Abschnitt des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements ein elektrisches Isolationselement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit zwischen ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement erzielt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Isolationselement in Form eines Abschnitts der elektrisch isolierenden Folienschicht ausgebildet ist, da hierdurch ein besonders einfacher Aufbau des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht wird.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement weg vom Substrat verlaufende erste Pins aufweist und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement weg vom Substrat verlaufende zweite Pins aufweist, wobei die zweiten Pins im Bezug zu den ersten Pins, insbesondere in einer lateralen zweiten Richtung des Substrats, versetzt zueinander angeordnet sind, da hierdurch eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit zwischen ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement erzielt wird. Über die ersten und zweiten Pins können z. B. externe elektrische Leitungen an das erste und an das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement angeschlossen werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement in Form eines Abschnitts der ersten metallischen Folienschicht ausgebildet ist und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement mit der ersten metallischen Folienschicht elektrisch leitend verbunden ist, indem das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement mit der ersten metallischen Folienschicht einstückig ausgebildet ist, wobei zwischen dem ersten Abschnitt des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement ein Abschnitt der elektrisch isolierenden Folienschicht angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermodul, und ein besonders einfacher und besonders platzsparender Aufbau des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement und das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement auf einer Linie auf dem Substrat angeordnet sind und die Linie in Richtung der ersten Richtung verläuft. Durch diese Maßnahme wird ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermoduls erzielt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ausdehnung des ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements und die Ausdehnung des Folienverbunds am zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement, insbesondere in einer lateralen zweiten Richtung des Substrats, mindestens der Ausdehnung des ersten oder des zweiten, oder falls vorhanden, des dritten oder vierten Leistungshalbleiterbauelements, insbesondere in der lateralen zweiten Richtung des Substrats, entspricht, da hierdurch ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermodul ermöglicht wird.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn zumindest zu einem der Leistungshalbleiterbauelemente ein weiteres gleichartiges Leistungshalbleiterbauelement elektrisch parallel geschaltet ist und auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Ausdehnung des ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements und die Ausdehnung des Folienverbunds am zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement, insbesondere in einer lateralen zweiten Richtung des Substrats, mindestens dem Abstand, insbesondere in der lateralen zweiten Richtung des Substrats, der voneinander am weitesten entfernten Außenkanten des entsprechenden Leistungshalbleiterbauelements und des elektrisch parallel geschalteten weiteren gleichartigen Leistungshalbleiterbauelements entspricht. Durch diese Maßnahme wird ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermoduls erzielt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein elektrisches Schaltbild einer techniküblichen Halbbrückenschaltung,
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2 eine schematisierte Schnittdarstellung einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
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3 eine zu 2 zugehörige Ansicht von oben auf eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
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4 eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
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5 eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
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6 eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
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7 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und
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8 eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
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In 1 ist elektrisches Schaltbild einer technikübliche Halbbrückenschaltung dargestellt. In 2 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1a und in 3 eine zu 2 zugehörige Ansicht von oben auf das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermoduls 1a dargestellt, wobei der in 2 dargestellte Schnitt entlang der in 3 dargestellten Line F verläuft. Es sei an diese Stelle angemerkt, dass im Rahmen des Ausführungsbeispiels im Leistungshalbleitermoduls 1a, die in 1 dargestellte technikübliche Halbbrückenschaltung realisiert ist, was nicht notwendigerweise so sein muss. So kann können z. B. im erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul auch mehrere Halbbrückenschaltungen, anders geartete Halbbrückenschaltungen oder andere elektrische Schaltungen als eine Halbbrückenschaltung realisiert sein.
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Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1a weist ein Substrat 2 auf, das beim Ausführungsbeispiel in Form eines DCB-Substrats vorliegt. Das Substrat 2 weist einen Isolierstoffkörper 4 und eine auf dem Isolierstoffkörper 4 angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht 5 auf, die voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leiterbahnen 5a und 5b ausbildet. Vorzugsweise weist das erste Substrat 2 eine zweite elektrisch leitende, vorzugsweise unstrukturierte Leitungsschicht 3 auf, wobei der Isolierstoffkörper 4 zwischen der strukturierten ersten Leitungsschicht 5 und der zweiten Leitungsschicht 3 angeordnet ist. Die strukturierte erste Leitungsschicht 5 des Substrats 2 kann z. B. aus Kupfer bestehen. Das Substrat 2 kann z. B. wie beim Ausführungsbeispiel in Form eines DCB-Substrats oder in Form eines Insulated Metal Substrats vorliegen. Im Falle eines DCB-Substrat kann der erste Isolierstoffkörper 2 z. B. aus einer Keramik bestehen und die zweite Leitungsschicht des ersten Substrats z. B. aus Kupfer bestehen. Im Falle eines Insulated Metal Substrats kann der erste Isolierstoffkörper 4 z. B. aus einer Schicht aus Polyimid oder Epoxy bestehen und die zweite Leitungsschicht 3 des ersten Substrats aus einem Metallformkörper bestehen. Der Metallformkörper kann z. B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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Auf der ersten Leiterbahn 5a ist ein erstes Leistungshalbleiterbauelement T1, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 ist mit der ersten Leiterbahn 5a, z. B. mittels einer Löt- oder Sinterschicht 6a, elektrisch leitend verbunden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber in den 2, 4, 5 und 6 bei den Leistungshalbleiterbauelementen nur die Löt- oder Sinterschichten 6a und 7a, mittels denen das erste Leistungshalbleiterbauelements T1 mit anderen Elementen verbunden ist, mit einem Bezugszeichen versehen sind und in den 4 bis 6, bezüglich der Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente, nur der erste und der zweite Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Auf der zweiten Leiterbahn 5b ist ein zweites Leistungshalbleiterbauelement T2, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 ist mit der zweiten Leiterbahn 5b, z. B. mittels einer Löt- oder Sinterschicht, elektrisch leitend verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel ist auf der ersten Leiterbahn 5a ein drittes Leistungshalbleiterbauelement D1, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss K und A aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss K des dritten Leistungshalbleiterbauelements D1 ist mit der ersten Leiterbahn 5a, z. B. mittels einer Löt- oder Sinterschicht, elektrisch leitend verbunden und auf der zweiten Leiterbahn 5b ist ein viertes Leistungshalbleiterbauelement D2, das einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss K und A aufweist, angeordnet und der erste Laststromanschluss K des vierten Leistungshalbleiterbauelements D2 ist mit der zweiten Leiterbahn 5b, z. B. mittels einer Löt- oder Sinterschicht, elektrisch leitend verbunden.
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Durch die Laststromanschlüsse fließen die Lastströme, welche im Gegensatz zu Steuerströmen eine hohe Stromstärke aufweisen können.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement als Leistungshalbleiterschalter und insbesondere in Form von IGBTs vorliegen und der erste Laststromanschluss C des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters in Form des Kollektors des jeweiligen IGBT und der zweite Laststromanschluss E des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters in Form des Emitters des jeweiligen IGBT vorliegt. Der Steueranschluss G der Leistungshalbleiterschalter liegt beim Ausführungsbeispiels in Form des Gate des jeweiligen IGBT vor.
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Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement als Dioden vorliegen und der erste Laststromanschluss K der jeweiligen Diode in Form der Kathode der jeweiligen Diode und der zweite Laststromanschluss A der jeweiligen Diode in Form der Anode der jeweiligen Diode vorliegt.
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Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul 1a ein erstes und ein zweites Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 auf, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement und das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 entlang einer lateralen ersten Richtung X des Substrats 2 angeordnet sind und das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 hintereinander angeordnet sind. Das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 dienen vorzugsweise zur Gleichspannungslaststromverbindung des Leistungshalbleitermodul 1a mit der Außenwelt, wobei beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 1a eine elektrische Gleichspannung Ud zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 anliegt.
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Das Leistungshalbleitermodul 1a weist weiterhin einen Folienverbund 11, der eine erste metallische Folienschicht 8 und eine strukturierte zweite metallische Folienschicht 10 und eine zwischen der ersten und eine zweiten metallischen Folienschicht 8 und 10 angeordnete elektrisch isolierende Folienschicht 9 aufweist. Die Folienschichten sind, mittels z. B. eine Klebeverbindung, miteinander verbunden. Die zweite metallische Folienschicht 10 weist aufgrund ihrer Struktur Unterbrechungen 30 auf, so dass die zweite metallische Folienschicht 10 voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leitungsbahnen ausbildet. Die erste metallische Folienschicht 8 kann ebenfalls strukturiert ausgebildet sein. Der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 ist mit der zweiten metallischen Folienschicht 10, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7a elektrisch leitend verbunden und die zweite metallischen Folienschicht 10 ist mit der zweiten Leiterbahn 5a, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 6c, elektrisch leitend verbunden.
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Weiterhin ist der zweite Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 mit der ersten metallischen Folienschicht 8, über z. B. einer Löt- oder Sinterschicht, welche den zweiten Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 mit der zweiten metallischen Folienschicht 10 elektrisch leitend verbindet und über elektrisch leitende Durchkontaktierungen 18, welche die erste und zweite metallische Folienschicht 8 und 10 elektrisch leitend miteinander verbinden, elektrisch leitend verbunden.
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Ferner ist der zweite Laststromanschluss A des dritten Leistungshalbleiterbauelements D1, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht, mit der zweiten metallischen Folienschicht 10 elektrisch leitend verbunden und der zweite Laststromanschluss A des vierten Leistungshalbleiterbauelements D2 ist mit der ersten metallischen Folienschicht 8, über z. B. einer Löt- oder Sinterschicht, welche den zweiten Laststromanschluss A des vierten Leistungshalbleiterbauelements D2 mit der zweiten metallischen Folienschicht 10 elektrisch leitend verbindet und über elektrisch leitende erste Durchkontaktierungen 18, welche die erste und zweite metallische Folienschicht 8 und 10 elektrisch leitend miteinander verbinden, elektrisch leitend verbunden. In den Figuren ist der Übersichtlichkeit halber nur eine erste Durchkontaktierung 18 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 ist über die zweite metallische Folienschicht 10 mit dem zweiten Laststromanschluss A des dritten Leistungshalbleiterbauelements D1 elektrisch leitend verbunden und der zweite Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 ist über die zweite metallische Folienschicht 10 mit dem zweiten Laststromanschluss A des vierten Leistungshalbleiterbauelements D2 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 und der zweite Laststromanschluss A des dritten Leistungshalbleiterbauelements D1 ist über die zweite metallische Folienschicht 10 und über die zweite Leiterbahn 5b mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 und mit dem ersten Laststromanschluss K des vierten Leistungshalbleiterbauelements D2 elektrisch leitend verbunden.
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Die unter dem Folienverbund 11 angeordneten, aus der Perspektive von 3 nicht sichtbaren Leistungshalbleiterbauelemente T1, T2, D1 und D2 sind in 3 gestrichelt dargestellt.
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Weiterhin ist das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 mit der ersten Leiterbahn 5a, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 6b, elektrisch leitend verbunden und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 ist mit der ersten metallischen Folienschicht 8, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7c, elektrisch leitend verbunden, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement T1, T2, D1 und D3 entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 auf einer gemeinsamen Seite SE im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel bei der Darstellung gemäß 2 sind das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement T1, T2, D1 und D2 solchermaßen rechts von dem ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 angeordnet. Die Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 sind solchermaßen entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 nicht zwischen dem ersten, zweiten, dritten und vierten Leistungshalbleiterbauelement T1, T2, D1 und D3 angeordnet. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15, und das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement T1, T2, D1 und D3 entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 auf einer in Richtung der ersten Richtung X verlaufenden Line B auf dem Substrat 2 angeordnet. Vorzugsweise ist auch das Wechselspannungslaststromanschlusselement 17 entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 angeordnet und insbesondere vorzugsweise auf der in Richtung der ersten Richtung X verlaufenden Line B auf dem Substrat 2 angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße eng beanstandete flächig ausgebildete elektrische Leitungsführung der elektrischen Lastströme durch das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul bzw. der positives und negatives elektrisches Potential führenden elektrischen Leitungen, wird ein sehr niederinduktiver Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls erzielt.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels bildet das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 den positiven elektrischen Potentiallaststromanschluss und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 den negativen elektrischen Potentiallaststromanschluss des Leistungshalbleitermoduls 1a.
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Weiterhin weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul einen Wechselspannungslaststromanschlusselement 17 auf, der mit der zweiten Leiterbahn 5b, z. B. mittels einer Löt- oder Sinterschicht 6d, elektrisch leitend verbunden ist.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die erste Folienschicht 8 zur Verbindung der Steueranschlüsse G (Gate), der beim Ausführungsbeispiel als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2 rahmenartige Aussparungen 19 auf (siehe 3), wobei das in der Mitte der jeweiligen Aussparung angeordnete Flächenstück der ersten Folienschicht 8 über eine zweite Durchkontaktierung 20 mit dem Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist. Das in der Mitte der Aussparung angeordnete jeweilige Flächenstück der ersten Folienschicht 8 ist solchermaßen elektrisch isoliert von der übrigen ersten Folienschicht 8 angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber ist in den Figuren nur eine zweite Aussparung 19 und nur eine mit dem betreffenden Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend verbundene Durchkontaktierung 20 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Folienverbund 11 gegebenenfalls über eine oder mehrere weitere elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte Folienschichten, die jeweilig über eine weitere elektrisch isolierende Folienschicht voneinander getrennt sind, aufweisen kann. Eine weitere elektrisch leitende Folienschicht kann z. B. zur Führung von Steuerleitungen dienen.
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Das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen in der ersten Richtung X des Substrats 2 verlaufenden Sockel 26 und einen weg, insbesondere senkrecht weg (Richtung Z), vom Substrat 26 verlaufenden ersten Abschnitt 27 auf, wobei das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 über den Folienverbund 11 mit dem Sockel 26 mechanisch verbunden ist. Hierzu ist das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15, mit der ersten metallischen Folienschicht 8, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7c, elektrisch leitend verbunden und die zweite metallische Folienschicht 10, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7b, mit dem Sockel 26 elektrisch leitend verbunden.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 einen weg, insbesondere senkrecht weg (Richtung Z), vom Substrat 2 verlaufenden ersten Abschnitt 28 auf, wobei zwischen dem ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und dem ersten Abschnitt 28 des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 ein elektrisches Isolationselement 13 angeordnet ist. Das Isolationselement 13 kann z. B. als Kunststoffelement ausgebildet sein und braucht nicht unbedingt über den gesamten ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und/oder über den gesamten ersten Abschnitt 28 des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 zwischen den ersten Abschnitten 27 und 28 der ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselemente 14 und 15 angeordnet sein. Anstatt dem Isolationselement 13 oder zusätzlich zum Isolationselement 13 kann auch ein elektrisch isolierender Verguss 12 (z. B. aus Silikon oder einen Epoxidharz) zwischen dem ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und dem ersten Abschnitt 28 des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 angeordnet sein.
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Vorzugsweise entspricht die Ausdehnung AG des ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und 15 und die Ausdehnung AF des Folienverbunds 11 am zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 in einer lateralen zweiten Richtung Y des Substrats 2 mindestens der Ausdehnung AL des ersten, des zweiten, des dritten oder des vierten Leistungshalbleiterbauelements in der lateralen zweiten Richtung Y des Substrats 2. Die laterale zweite Richtung Y des Substrats 2 verläuft vorzugsweise senkrecht zur lateralen ersten Richtung X des Substrats 2.
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Zur Realisierung von Schraubverbindungen zur elektrisch leitenden Verbindung des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14, des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 und des Wechselspannungslaststromanschlusselements 17 mit externen elektrischen Leitungen weist das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 Durchgangslöcher 16a, das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 Durchgangslöcher 16b und das Wechselspannungslaststromanschlusselement 17 Durchgangslöcher 16c auf. Die Durchgangslöcher 16a, 16b und 16c sind dabei jeweilig, vorzugsweise in einem in Richtung der ersten Richtung X verlaufenden, jeweiligen zweiten Abschnitt des jeweiligen Laststromanschlusselements angeordnet.
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In 4 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1b dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1a gemäß 2 und 3 bis auf den Unterschied, dass das Isolationselement in Form eines Abschnitts 31 der elektrisch isolierenden Folienschicht 9 ausgebildet ist, übereinstimmt.
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In 5 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1c dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1a gemäß 2 und 3 bis auf den Unterschied, dass das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 über den Folienverbund 11 mit der ersten Leiterbahn 5a mechanisch verbunden ist, übereinstimmt. Hierzu ist das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15, mit der ersten metallischen Folienschicht 8, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7c, elektrisch leitend verbunden und die zweite metallische Folienschicht 10, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 6e, mit der ersten Leiterbahn 5a elektrisch leitend verbunden.
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In 6 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1d dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1a gemäß 2 und 3 bis auf den Unterschied, dass das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 in Form eines Abschnitts 35 der ersten metallischen Folienschicht 8 ausgebildet ist und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 mit der ersten metallischen Folienschicht 8 elektrisch leitend verbunden ist, indem das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 mit der ersten metallischen Folienschicht 8 einstückig ausgebildet ist, wobei zwischen dem ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 ein Abschnitt 31 der elektrisch isolierenden Folienschicht 9 angeordnet ist, übereinstimmt. Der Abschnitt 31 der elektrisch isolierenden Folienschicht 9 ist dabei vorzugsweise am ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 angeordnet. Vorzugsweise ist dabei der Abschnitt 31 der elektrisch isolierenden Folienschicht 9, z. B. mittels einer Klebeschicht 32, mit dem ersten Abschnitt 27 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 verbunden. Weiterhin ist vorzugsweise die zweite metallischen Folienschicht 10, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 7b, mit dem Sockel 26 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 elektrisch leitend verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite metallische Folienschicht 10, mittels z. B. einer Löt- oder Sinterschicht 6e, analog dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, mit der ersten Leiterbahn 5a elektrisch leitend verbunden sein.
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In 7 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1e dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1a gemäß 2 und 3 bis auf den Unterschied, dass das erste Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 weg vom Substrat 2, insbesondere senkrecht weg vom Substrat 2, verlaufende erste Pins 21a aufweist und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 weg vom Substrat 2, insbesondere senkrecht weg vom Substrat 2, verlaufende zweite Pins 21b aufweist, wobei die zweiten Pins 21b im Bezug zu den ersten Pins 21a in der lateralen zweiten Richtung Y des Substrats 2, vorzugsweise zur Erhöhung der elektrischen Isolationsfestigkeit, versetzt zueinander angeordnet sind, übereinstimmt. Der Übersichtlichkeit halber ist in 7 nur ein erster Pin 21a und ein zweiter Pin 21b mit einem Bezugszeichen versehen. Vorzugsweise weist das Wechselspannungslaststromanschlusselement 17 weg vom Substrat 2, insbesondere senkrecht weg vom Substrat 2, verlaufende dritte Pins 21c auf, wobei der Übersichtlichkeit halber in 7 nur ein dritter Pin 21c mit einem Bezugszeichen versehen ist.
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Insbesondere zur Erhöhung der Stromtragefähigkeit des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls kann einem oder mehreren Leistungshalbleiterbauelementen jeweilig noch ein oder mehrere weitere jeweilig gleichartige Leistungshalbleiterbauelemente elektrisch parallel geschaltet sein und auf dem Substrat 2 angeordnet sein. In 8 ist eine Ansicht von oben auf ein Ausführungsbeispiel einer solcher weiteren Ausbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1f dargestellt, bei dem zum ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 ein weiteres erstes Leistungshalbleiterbauelement T1', mittels des Folienverbundes 11 und der ersten Leiterbahn 5a, elektrisch parallel geschaltet ist, und bei dem zum zweiten Leistungshalbleiterbauelement T2 ein weiteres zweites Leistungshalbleiterbauelement T2', mittels des Folienverbundes 11 und der zweiten Leiterbahn 5b, elektrisch parallel geschaltet ist, und bei dem zum dritten Leistungshalbleiterbauelement D1 ein weiteres drittes Leistungshalbleiterbauelement D1', mittels des Folienverbundes 11 und der ersten Leiterbahn 5a, elektrisch parallel geschaltet ist, und bei dem zum vierten Leistungshalbleiterbauelement D2 ein weiteres viertes Leistungshalbleiterbauelement D2', mittels des Folienverbundes 11 und der zweiten Leiterbahn 5b, elektrisch parallel geschaltet ist. Die jeweilig zueinander elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterbauelemente sind dabei gleichartig, d. h. wenn z. B. das erste Leistungshalbleiterbauelement T1 ein Leistungshalbleiterschalter ist, dann ist das erste weitere Leistungshalbleiterbauelement T1' ebenfalls ein Leistungshalbleiterschalter und wenn z. B. das dritte Leistungshalbleiterbauelement D1 eine Diode ist, dann ist das dritte weitere Leistungshalbleiterbauelement D1' ebenfalls eine Diode.
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Die Ausdehnung AG des ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und 15 und die Ausdehnung AF des Folienverbunds 11 am zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 in der lateralen zweiten Richtung Y des Substrats 2 entspricht mindestens dem Abstand AB in der lateralen zweiten Richtung Y des Substrats 2 der voneinander am weitesten entfernten Außenkanten 33 und 34 des entsprechenden Leistungshalbleiterbauelements T1, T2, D1 oder D2 und des elektrisch parallel geschalteten weiteren gleichartigen Leistungshalbleiterbauelements T1' T2', D1' oder D2'.
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Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 8, dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3, wobei das Ausführungsbeispiel gemäß 8 auch mit allen anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann.
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Es sei an dieser Stelle weiterhin angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Ausdruck, dass zwei Elemente elektrisch leitend verbunden sind, sowohl eine direkte elektrisch leitende Verbindung von zwei Elementen, mittels z. B. einer Schweiß-, Löt- oder Sinterverbindung, die zwischen den beiden Elementen besteht, als auch eine indirekte elektrisch leitende Verbindung, mittels z. B. einem oder mehreren Leitungselementen, Leitungsschichten und/oder Durchkontaktierungen, die die beiden Elemente elektrisch miteinander verbinden, so dass ein bidirektionaler elektrischer Stromfluss zwischen den beiden elektrisch miteinander leitend verbunden Elementen möglich ist, verstanden wird. Insbesondere im Falle einer Sinterverbindung können zwischen den beiden elektrisch leitend miteinander verbundenen Elemente neben der Sinterschicht noch ein oder mehrere Haftvermittlungsschichten (z. B. aus einem Edelmetall, insbesondere aus Silber) angeordnet sein und an einem der beiden oder an beiden elektrisch leitend miteinander verbundenen Elemente angeordnet sein.
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Ferner sei angemerkt, dass vorzugsweise das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 in einem ersten Endbereich E1 des Substrats 2 auf dem Substrat 2 angeordnet ist.
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Weiterhin sei angemerkt, dass vorzugsweise das Wechselspannungslaststromanschlusselement 17 in einem zweiten Endbereich E2 des Substrats 2 auf dem Substrat 2 angeordnet ist, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement auf dem Substrat 2 zwischen dem ersten und zweiten Endbereich E1 und E2 angeordnet sind.
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Ferner sei angermerkt, dass vorzugsweise die in Richtung der ersten Richtung X verlaufende Dicke des ersten Abschnitts 27 und 28 des ersten und des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und 15 klein ist gegenüber der Ausdehnung AG des ersten und zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und 15. Der erste Abschnitt 27 und 28 des ersten und des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 14 und 15 sind vorzugsweise flach ausgeführt.
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Es sei weiterhin an dieser Stelle angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen das dritte und das vierte Leistungshalbleiterbauelement entfallen kann.
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Ferner sei angemerkt, dass in den Figuren gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Bei den Ausführungsbeispielen sind das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 entlang der lateralen ersten Richtung X des Substrats 2 angeordnet, und das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 sind entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 hintereinander angeordnet, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement T1 und T2 entlang der ersten Richtung X des Substrats 2 auf einer gemeinsamen Seite SE im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 angeordnet sind. Dies muss nicht notwendiger Weise so sein. Verallgemeinert reicht es aus wenn bei der Erfindung das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 hintereinander angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement T1 und T2 auf einer gemeinsamen Seite SE im Bezug zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 angeordnet sind. Das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 können so z. B. in 3, 7 und 8 auch um z. B. 90° auf dem Substrat 2 gedreht angeordnet sein (Drehachse verläuft senkrecht durch das Substrat 2). Weiterhin können das erste und das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 14 und 15 z. B. im Bezug zu Darstellung gemäß 3, 7 und 8 auch oberhalb oder unterhalb des ersten Leistungshalbleiterbauelement T1 und/oder des dritten Leistungshalbleiterbauelement D1 angeordnet sein.
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Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass wie bei den Ausführungsbeispielen vorzugsweise das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 ebenfalls einen Sockel 50 aufweist, wobei das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 über den Folienverbund 11 mit dem Sockel 26 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselement mechanisch verbunden ist, indem der Sockel 50 des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 über den Folienverbund 11 mit dem Sockel 26 des ersten Gleichspannungslaststromanschlusselement mechanisch verbunden ist, oder das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 über den Folienverbund 11 mit der ersten Leiterbahn 5a mechanisch verbunden ist, indem der Sockel 50 des zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselements 15 über den Folienverbund 11 mit der ersten Leiterbahn 5a mechanisch verbunden ist.
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Ferner sei angemerkt, dass zwischen dem zweiten Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 und der elektrisch leitenden strukturierte Leitungsschicht 5 eine elektrische Isolationsvorrichtung angeordnet ist, die vorzugsweise in Form eines Abschnitts der isolierenden Folienschicht 9 des Folienverbunds 11 vorliegt. Das zweite Gleichspannungslaststromanschlusselement 15 ist mittels der elektrischen Isolationsvorrichtung von der elektrisch leitenden strukturierten Leitungsschicht 5 elektrisch isoliert angeordnet.
