DE102012219686B4 - Leistungsmodul mit geringer Streuinduktivität - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul umfassend:ein Substrat (118) mit einem isolierenden Element (120) und einer auf das isolierende Element (120) aufgebrachten strukturierten Metallisierung (122), wobei die strukturierte Metallisierung (122) zu einer Anzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen (124) segmentiert ist, wobei zueinander benachbarte der Metallisierungsbereiche (124) jeweils durch eine Fuge (126), die sich jeweils durch die strukturierte Metallisierung (122) hindurch bis zu dem isolierenden Element (120) erstreckt, voneinander beabstandet sind;einen ersten Leistungstransistorschaltkreis (114), der einen ersten Leistungsschalter (128) umfasst, der an einem ersten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, sowie einen zweiten Leistungsschalter (130), der an einem zweiten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, welcher zu einer ersten Seite (132) des ersten Metallisierungsbereichs (124) benachbart ist; undeinen zweiten Leistungstransistorschaltkreis (116), der einen dritten Leistungsschalter (134) umfasst, der an dem ersten Metallisierungsbereich (124) befestigt ist, sowie einen vierten Leistungsschalter (136), der an einem dritten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, welcher benachbart zu einer an einem der ersten Seite (132) entgegengesetzten Ende des ersten Metallisierungsbereichs (124) liegenden zweiten Seite (138) des ersten Metallisierungsbereichs (124) angeordnet ist, wobei der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) so aufgebaut ist, dass ein in ihm auftretender Stromfluss spiegelsymmetrisch ist zu einem im ersten Leistungstransistorschaltkreis (114) auftretenden Stromfluss.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, insbesondere ein Leistungsmodul mit einer geringen Streuinduktivität.
  • HINTERGRUND
  • Beim Design neuer Leistungsmodule ist ein hoher Wirkungsgrad innerhalb eines IGBT Leistungsmoduls (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) eine wesentliche Herausforderung. Ein Faktor, der den Wirkungsgrad eines Leistungsmoduls beeinflusst, ist die Streuinduktivität. Die Streuinduktivität wird unmittelbar beeinflusst durch das Design des Leistungsmoduls und weniger durch die grundsätzliche Physik des Moduls. Die Designs von herkömmlichen IGBT Leistungsmodulen neigen dazu, eine geringe Streuinduktivität zu opfern, um die Leistungsdichte des Moduls zu erhöhen. Dies beinhaltet normalerweise, die positiven (+) und negativen (-) Gleichstrompfade auf dem Substrat zu separieren, in seitlicher Richtung über den Hauptstrompfad hinweg zu Bonden, um das Bonden der Leistungstransistorchips an unterschiedliche Potentiale in dem Leistungsmodul zu erleichtern, und/oder die Verwendung sich wiederholender Layouts zur Vereinfachung der Herstellung wegen der Vielzahl der in dem Modul vorhandenen üblichen Elementen. In jedem Fall besteht das Resultat in einem Anstieg der in dem Leistungsmodul vorliegenden Streuinduktivität und damit einhergehend in einem reduzierten Wirkungsgrad.
  • Die Druckschrift DE 10 2009 029 515 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, mindestens zwei auf dem Substrat angeordneten, parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, mindestens einem Zwischenkreisanschluss zum Verbinden der Leistungshalbleiterschalter mit einem ersten Versorgungsspannungspotenzial und mindestens zwei Zwischenkreisanschlüssen zum Verbinden der Leistungshalbleiterschalter mit einem zweiten Versorgungsspannungspotenzial, wobei eines der Versorgungsspannungspotenziale negativ und das andere positiv ist. Das Leistungshalbleitermodul weist daher zwei entkoppelte Kommutierungskreise auf. Die Zweischenkreisanschlüsse des Leistungshalbleitermoduls sind über Zuleitungen mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator elektrisch verbunden. Das als Halbbrückenmodul mit einem High-Side-Schalter und mit einem Low-Side-Schalter ausgebildete Leistungshalbleitermodul weist ebenso einen Phasenanschluss auf, über den der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter miteinander verbunden sind. Für den High-Side-Schalter und für den Low-Side-Schalter sind jeweils mindestens zwei parallel geschaltete Leistungshalbleiterschalter auf dem Substrat angeordnet.
  • Die Druckschrift DE 102 37 561 C1 offenbart eine Schaltungsanordnung bestehend aus einem elektrisch isolierenden Substrat mit darauf befindlichen metallischen Verbindungsbahnen, darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelementen sowie Gleich- und Wechselstromanschlussleitern, wobei die Gleichstromanschlussleiter eng benachbart zueinander angeordnet sind und zumindest in einem Teilabschnitt parallel und eng benachbart zur Substratoberfläche und/oder den Verbindungsbahnen sowie elektrisch isoliert von diesen angeordnet sind, der Wechselstromanschlussleiter ebenfalls zumindest in einem Teilabschnitt eng benachbart zur Substratoberfläche und/oder den Verbindungsbahnen und elektrisch isoliert von diesen angeordnet ist und die Anschlussleiter Flächenelemente zur Drahtbondverbindung zu Leistungshalbleiterbauelementen oder zu Verbindungsbahnen aufweisen.
  • Die Druckschrift DE 44 21 319 A1 offenbart ein Leistungsmodul das mehrere Halbleiterleistungsgruppen und einen Kühlkörper umfasst. Die Leistungsgruppen befinden sich zu beiden Seiten des Kühlkörpers, der mit Kühlflüssigkeit versorgte Kanäle aufweist. Beide Körperseiten haben auch Substrate aus elektrisch isolierendem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften. Die Halbleiterbauelemente werden oberflächenmontiert und die erzeugte Wärme wird an den Fluidkühlkörper abgegeben. Die Gruppenmontage erfolgt über einen Stapel niederinduktiver Leiterplatten.
  • ÜBERBLICK
  • Die hierin beschriebenen Ausgestaltungen verringern die Streuinduktivität innerhalb eines Leistungsmoduls, und ebenso außerhalb des Leistungsmoduls für die Leitung von elektrischem Strom aus dem Leistungsmodul heraus und durch das System, in dem das Leistungsmodul verwendet wird. Die Menge an Leistung, die einem Modul entnommen wird, wird durch eine Verringerung der Streuinduktivität erhöht.
  • Gemäß einer Ausgestaltung eines Leistungsmoduls umfasst das Leistungsmodul ein Substrat mit einem isolierenden Element und einer strukturierten Metallisierung auf dem isolierenden Element. Die strukturierte Metallisierung ist zu einer Anzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen segmentiert. Metallisierungsbereiche, die zueinander benachbart sind, sind jeweils durch eine Fuge voneinander beabstandet, die sich jeweils durch die strukturierte Metallisierung hindurch bis zu dem isolierenden Element erstreckt. Ein erster Leistungstransistorschaltkreis umfasst einen ersten Leistungsschalter, der an einem ersten der Metallisierungsbereiche befestigt ist, sowie einen zweiten Leistungsschalter, der an einem zweiten der Metallisierungsbereiche befestigt ist, welcher zu einer ersten Seite des ersten Metallisierungsbereichs benachbart ist. Ein zweiter Leistungstransistorschaltkreis umfasst einen dritten Leistungsschalter, der an dem ersten Metallisierungsbereich befestigt ist, sowie einen vierten Leistungsschalter, der an einem dritten der Metallisierungsbereiche befestigt ist, welcher benachbart zu einer an einem der ersten Seite entgegengesetzten Ende des ersten Metallisierungsbereichs liegenden zweiten Seite des ersten Metallisierungsbereichs angeordnet ist. Der zweite Leistungstransistorschaltkreis ist so aufgebaut, dass ein in ihm auftretender Stromfluss spiegelsymmetrisch ist zu einem im ersten Leistungstransistorschaltkreis auftretenden Stromfluss.
  • Figurenliste
  • Die in den Figuren gezeigten Elemente sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende ähnliche Teile.
    In den Figuren sind Ausführungsbeispiele gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung ausführlich erläutert. Damit wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
    • 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul.
    • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des in 1 dargestellten Leistungsmoduls.
    • 3 zeigt eine Draufsicht auf das Leistungsmodul gemäß 1 mit hinzugefügten Beschriftungen für die Gleichstrom-Leistungsanschlüsse.
    • 4 zeigt eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Leistungsmodul mit einer darüber gelegten Markierung für eine Stromschleife innerhalb des Moduls.
    • 5 zeigt eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Leistungsmodul mit einer darüber gelegten Markierung für die externen und internen Pfade des Stromflusses.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls 100, beispielsweise eines IGBT Moduls, eines MOSFET Moduls (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder jedes anderen Typs von Leistungsmodul. Das Leistungsmodul 100 umfasst beispielsweise DC Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102, 104, die sich an einer Seite 106 des Moduls 100 befinden, sowie AC Wechselstrom-Leistungsanschlüsse 108, 110, welche sich an der anderen Seite 112 des Moduls 100 befinden. Die innerhalb des Leistungsmoduls 100 auftretende Streuinduktivität kann unter Einbeziehung der hierin beschriebenen Merkmale reduziert werden. Ein Merkmal besteht in der Einbeziehung von zwei Leistungstransistorschaltkreisen 114, 116, die hinsichtlich Design und Layout zueinander gespiegelt sind. Die Leistungstransistorschaltkreise 114, 116 sind zwischen den DC Leistungsanschlüssen 102, 104 und den AC Leistungsanschlüssen 108, 110 des Moduls 100 angeordnet. Während des Betriebs erzeugt ein jeder der Schaltkreise 114, 116 eine Stromschleife. Die Ströme durch die Stromschleifen, die in 1 durch darüber gelegte und mit ‚A‘ und ‚B‘ gekennzeichnete Schleifen angedeutet sind, durchlaufendie die die Stromschleifen A bzw. B betreffenden Leistungstransistorschaltkreise in entgegengesetzten Richtungen. Aufgrund dieser Ströme entstehen entsprechende magnetische Felder, die einander wenigstens teilweise auslöschen. Die einander entgegenwirkenden Magnetfelder reduzieren die mit den Stromschleifen einhergehende Induktivität, was wiederum die in dem Leistungsmodul 100 auftretende Streuinduktivität reduziert.
  • 2 zeigt eine teilweise Schnittansicht des Leistungsmoduls 100 entlang einer in 1 dargestellten und mit C-C' bezeichneten Schnittlinie einschließlich einer detailierteren Ansicht des Substrats 118. Das Substrat 118 umfasst ein isolierendes Element 120 wie beispielsweise ein Keramiksubstrat, sowie eine strukturierte Metallisierung 122, die auf dem isolierenden Element 120 angebracht ist. Eine optionale Metallisierung 123 kann an der der strukturierten Metallisierung 122 entgegengesetzten Seite des isolierenden Elements 120 angebracht sein, beispielsweise um die Wärmeübertragungsfähigkeit des Leistungsmoduls 100 zu verbessern. Bei dem Substrat 118 kann es sich um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonded), ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonded) oder ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazed) handeln. Alternativ kann es sich bei dem Substrat 118 auch um ein IMS-Substrat (IMS = Insulated Metal Substrate) oder ein ähnliches Substrat handeln, welches eine metallische Grundplatte (z. B. aus Aluminium oder Kupfer) umfasst, die von einer dielektrischen Schicht wie z.B. Epoxidharz, bedeckt ist, und einer Metallschicht wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, die auf der dielektrischen Schicht angeordnet und gegenüber der metallischen Grundplatte elektrisch isoliert ist. In jedem Fall ist die strukturierte Metallisierung 122 zu einer Anzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen 124 strukturiert. Benachbarte der Metallisierungsbereiche 124 sind voneinander durch eine Fuge 126 getrennt, die sich durch die strukturierte Metallisierungsschicht 122 hindurch bis zu dem darunter liegenden isolierenden Element 120 erstreckt.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 2 umfasst der erste Leistungstransistorschaltkreis 114 einen ersten Leistungsschalter 128, der an einem ersten der Metallisierungsbereiche 124 angebracht ist, sowie einen zweiten Leistungsschalter 130, der an einem zweiten der Metallisierungsbereiche 124 angebracht ist, wobei der zweite der Metallisierungsbereiche 124 benachbart zu einer ersten Seite 132 des ersten Metallisierungsbereichs 124 angeordnet ist. In diesem Sinne bedeutet ‚benachbart‘, dass sowohl der erste als auch der zweite der Metallisierungsbereiche 124 an dieselbe zwischen ihnen befindliche Fuge 126 angrenzen. Der zweite Leistungstransistorschaltkreis 116 umfasst einen dritten Leistungsschalter 134, der an demselben Metallisierungsbereich 124 angebracht ist wie der erste Leistungsschalter 128 des ersten Schaltkreises 114, sowie eine vierten Leistungsschalter 136, der an einem dritten der Metallisierungsbereiche 124 angebracht ist, wobei der dritte der Metallisierungsbereiche 124 benachbart zu einer an einem der ersten Seite 132 entgegengesetzten Ende des ersten Metallisierungsbereichs 124 liegenden zweiten Seite 138 des ersten Metallisierungsbereichs 124 angeordnet ist. Das Leistungsmodul 100 besitzt einen Kollektoranschluss 140, Strom-Sense-Anschlüsse 142, 144, einen High-Side Emitteranschluss 146, einen High-Side Gateanschluss 148, einen Low-Side Emitteranschluss 150, einen Low-Side Gateanschluss 152, sowie zusätzliche Steueranschlüsse 154, 156. Verschiedene Verbindungen 162 wie beispielsweise Bonddrahtverbindungen bilden elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Anschlüssen des Leistungsmoduls 100 und den Leistungstransistorschaltkreisen 114, 116. Das Leistungsmodul 100 weist außerdem einen Rahmen 160 mit Öffnungen 158 auf, die beispielsweise dazu dienen können, das Leistungsmodul 100 an einem Kühlkörper zu befestigen.
  • Der zweite Leistungstransistorschaltkreis 116 spiegelt den ersten Transistorschaltkreis 114 hinsichtlich Design und Layout. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Leistungstransistorschaltkreisen 114, 116 um gespiegelte Halbbrücken-Schaltkreise. Die High-Side Schalter 128, 134 der Halbbrücken-Schaltkreise 114, 116 können an dem ersten (mittleren) Metallisierungsbereich 124 angebracht sein, der Low-Side Schalter 130 des ersten Halbbrücken-Schaltkreises 114 kann an dem zweiten (rechten) Metallisierungsbereich 124, und der Low-Side Schalter 136 des zweiten Halbbrücken-Schaltkreises 116 an dem dritten (linken) Metallisierungsbereich 124, wie dies in 1 gezeigt ist. Alternativ können die Low-Side Schalter 130, 136 der Halbbrücken-Schaltkreise 114, 116 an dem ersten (mittleren) Metallisierungsbereich 124 angebracht sein, und die betreffenden High-Side Schalter 128, 134 können an den korrespondierenden, benachbarten Metallisierungsbereichen 124 angebracht sein. Andere Arten von Leistungstransistorschaltkreisen können jedoch ebenso verwendet werden. Beispielweise kann es sich bei den Leistungstransistorschaltkreisen 114, 116 um gespiegelte H-Brückenschaltkreise handeln. In jedem Fall ist die strukturierte Metallisierung 122 des Substrats 118 durch Fugen 126 zu Bereichen separiert, wobei jede Fuge 126 als Isolationsbarriere zwischen benachbarten Metallisierungsbereichen 124 dient.
  • Bezugnehmend auf 2 ist hier in der strukturierten Metallisierungsschicht 122 des Substrats 118 eine Fuge 126 gezeigt. Die Fuge 126, die von einander gegenüberliegenden Kanten begrenzt wird, die mit den Seiten 132 bzw. 132' der Metallisierungsbereiche 124 zusammen fallen und die deshalb ebenfalls mit den Bezugszeichen 132 bzw. 132' bezeichnet werden, erstreckt sich bis zu der Oberfläche des isolierenden Elements 120 des Substrats 118. Die einander gegenüberliegenden, die Fuge 126 begrenzenden Kanten 132, 132' definieren eine Breite WFUGE der Fuge 126. Der Leistungsschalter 128, der an dem Metallisierungsbereich 124 befestigt ist, welcher an die die Fuge 126 begrenzende Kante 132 angrenzt, ist von dieser die Fuge 126 begrenzenden Kante 132 um einen Abstand DT1 beabstandet. Der Leistungsschalter 130, der an dem Metallisierungsbereich 124 befestigt ist, der an die die Fuge 126 begrenzenden Kante 132 angrenzt, ist von dieser die Fuge 126 begrenzenden Kante 132' um einen Abstand DT2 beabstandet. Die Leistungsschalter 128, 130 können durch ein Lot oder ein anderes Material 164 an den betreffenden Metallisierungsbereichen 124 befestigt sein. Gemäß einer Ausgestaltung kann der Abstand DT1 kleiner oder gleich 0,5 mm sein, und der Abstand DT2 kann ebenfalls kleiner oder gleich 0,5 mm sein. Dieselben oder ähnliche Abstände können für jedes Paar von Leistungsschaltern verwendet werden (z.B. für jedes Paar von High-Side Schaltern und Low-Side Schaltern) der gespiegelten Leistungstransistorschaltkreise 114, 116. Allgemein isolieren die Fugen 126 (über das isolierende Element 120 des Substrats 118) die benachbarten Metallisierungsbereiche 124 der strukturierten Metallisierung 128 voneinander. Durch die Ausbildung derartiger Fugen 126 in der strukturierten Metallisierungsschicht 122 kann ein einziges Substrat 118 verwendet werden, um die gespiegelten Leistungstransistorschaltkreise 114, 116 zu montieren. Eine derartige Anordnung verringert die Streuinduktivität innerhalb des Leistungsmoduls 100, während zugleich sichergestellt ist, dass die Leistungsschalter 128, 130, 134, 136 eines jeden der Schaltkreise 114, 116 wie vorangehend beschrieben auf geeignete Weise miteinander verschaltet sind.
  • 3 zeigt das Leistungsmodul 100 gemäß 1 mit darüber gelegten Bezeichnungen, um die Positionen der Leistungsanschlüsse hervorzuheben. Gemäß einer Ausgestaltung sind die positiven (+) Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102 und die negativen (-) Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 104 entlang derselben Seite 106 des Leistungsmoduls 100 angeordnet. Die positiven Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102 sind zusammen gruppiert und gemeinsam zwischen einem ersten Satz 200 von negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 104 auf der linken Seite und einem zweiten Satz 202 von negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 104 auf der rechten Seite angeordnet. Die Wechselstrom-Leistungsanschlüsse 108, 110 sind entlang der der Seite 106 entgegengesetzten Seite 112 des Leistungsmoduls 100 angeordnet.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist das Leistungsmodul 100 einen Kunststoffrahmen 160 auf, in dem das Substrat 118 und die gespiegelten Leistungstransistorschaltkreise 114, 116 untergebracht sind. Die positiven und negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102, 104 sind entlang derselben Seite 106 des Kunststoffrahmens 160 angeordnet und durch einen Minimalabstand D voneinander beabstandet, der der erforderlichen Kriechstrecke des Kunststoffrahmens 160 entspricht. Die Kriechstrecke ist definiert als der kürzeste Abstand an der Oberfläche eines isolierenden Materials (in diesem Fall des Kunststoffrahmens 160) zwischen zwei elektrisch leitenden Elementen (in diesem Fall der positive und der negative Gleichspannungs-Leistungsanschluss). Der lichte Abstand (‚clearance distance‘) ist definiert als der kürzeste Abstand von zwei elektrisch leitenden Elementen (in diesem Fall der positive und der negative Gleichstrom-Leistungsanschluss) durch Luft. Bei den Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 102, 104 kann es sich um Einpressverbinder (‚Press-Fit‘ Verbinder) handeln, oder um jede andere geeignete Art von Verbinder wie beispielsweise Schraub-, Pin- oder Kabelverbinder.
  • Da die Streuinduktivität auf der Gleichstromseite des Leistungsmoduls 100 eine kritische Größe darstellt, sind die positiven und negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102 und 104 so nahe wie möglich nebeneinander positioniert. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Abstand zwischen dem positiven und dem negativen Gleichstrom-Leistungsanschluss 102, 104 durch die Toleranzen der Kriechstrecke und des Sicherheitsabstandes des Moduls 100 begrenzt. Theoretisch kann eine noch niedrigere Induktivität dadurch erreicht werden, dass die Leistungsverbindungen voreinander platziert werden. Allerdings erfordert eine derartige Anordnung, dass der nachfolgende Stromfluss der vorderen Verbindung um die untere Verbindung herum geleitet wird, was dazu führt, dass der mögliche Leiterquerschnitt der Anschlüsse beschränkt und die Streuinduktivität erhöht wird.
  • 4 zeigt das in 1 dargestellte Leistungsmodul 100 mit einer Stromflussschleife durch den Leistungstransistorschaltkreis 114 auf der rechten Seite, der durch eine überlagerte Schleife hervorgehoben ist. Während des Betriebs erzeugt der auf der rechten Seite befindliche Leistungstransistorschaltkreis 114 eine Stromschleife, entlang der ein Strom durch den ersten und den zweiten Leistungsschalter 128, 130 fließt. Beispielsweise kann es ich bei dem ersten Schalter 128 um den High-Side Schalter eines Halbbrückenschaltkreises handeln, bei dem zweiten Schalter 130 um den Low-Side Schalter des Halbbrückenschaltkreises. Der Stromfluss durch den Leistungstransistorschaltkreis 114 bildet vorzugsweise eine Schleife, die zur Minimierung der Streuinduktivität so eng wie möglich sein soll. In praktischer Hinsicht bedeutet dies, dass der Strom entlang eines ersten Pfades hin und entlang eines zweiten Pfades zurück so erfolgen soll, dass beide Pfade so nahe wie möglich nebeneinander liegen sollen.
  • Die in 4 gezeigte besitzt eine Breite WSCHLEIFE, welche mit einer Breite WT1 des ersten Leistungsschalters 128 und einer Breite WT2 des zweiten Leistungsschalters 130 korrespondiert, sowie mit der Breite WFUGE der Fuge 126, welche die Metallisierungsabschnitte 124 separiert, an denen die betreffenden Leistungsschalter 128, 130 befestigt sind. Die Breite WSCHLEIFE der Stromschleife korrespondiert außerdem mit einem Abstand DT1 zwischen einer die Fuge 126 begrenzenden ersten Kante 132 und einer Seite des ersten Leistungsschalters 128, die der Fuge 126 zugewandt ist, sowie mit einem Abstand DT2 zwischen einer die Fuge 126 begrenzenden, gegenüberliegenden zweiten Kante 132' und einer Seite des zweiten Leistungsschalters 130, die der Fuge 126 zugewandt ist. Die Parameter WFUGE, DT1 und DT2 sind in 2 dargestellt. Für eine vorgegebene Transistorbreite kann die Breite der Stromschleife verringert und dadurch die Streuinduktivität erniedrigt werden, indem die Breite WFUGE der Fuge 126 minimiert wird und indem die Abstände DT1 und DT2 zwischen den die Fuge 126 begrenzenden Kanten 132, 132' und den betreffenden Leistungsschaltern 128, 130 auf jeder Seite der Fuge 126 minimiert werden. Die Chipabstände DT1 und DT2 sind begrenzt durch Herstellungsparameter wie beispielsweise Löttoleranzen, die mit der Montage der Leistungsschalter 128, 130 auf der strukturierten Metallisierung 122 des Substrats 118 einhergehen (z.B. muss ausreichend Abstand bereitgehalten werden, um eine Bewegung der Schalter 128, 130 während des Befestigungsprozesses zu ermöglichen). Zusätzlich müssen die Abschnitte der strukturierten Metallisierung 122, auf denen die Leistungsschalter 128, 130 befestigt sind, durch eine ausreichend breite Fuge 126 voneinander getrennt sein, um eine ausreichende Isolierung zu gewährleisten, was die Möglichkeit, die Fuge 126 so schmal wie möglich zu machen, begrenzt. Dieselben Abstandsbetrachtungen gelten für die Leistungsschalter 134, 136 des gespiegelten Leistungstransistorschaltkreises 116.
  • 5 zeigt das in 1 dargestellte Leistungsmodul 100, wobei sämtliche Gleichstrompfade, die sich im Inneren und außerhalb des Leistungsmoduls 100 befinden, durch entsprechende, überlagerte Pfeile hervorgehoben sind. Eine Reduktion der Streuinduktivität außerhalb des Leistungsmoduls 100 erhöht außerdem die Menge an Leistung, die dem Modul 100 entnommen werden kann. Die positiven (+) Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102 und die negativen (-) Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 104 können entlang derselben Seite 106 des Leistungsmoduls 100 angeordnet werden, und die positiven Gleichstrom-Leistungsanschlüsse 102 können miteinander gruppiert und gemeinsam zwischen einen ersten Satz 200 von negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 104 auf der linken Seite und einem zweiten Satz 202 von negativen Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 104 auf der rechten Seite angeordnet werden, wie dies vorangehend z.B. unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Eine derartige Anordnung von Gleichstrom-Leistungsanschlüssen 102, 104 ergibt ein paralleles Band des Stromflusses, das sich von dem Leistungsmodul 100 zu dem externen System erstreckt, mit dem das Modul 100 verwendet wird. Dieses parallele Band von Stromflüssen ist in 5 durch entsprechende Pfeile markiert und es reduziert die Streuinduktivität außerhalb des Leistungsmoduls 100.
  • Die vorliegend verwendetet richtungsgebundene Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorderer“, „hinterer“ usw. dient dazu, die Beschreibung der Positionierung eines Elementes relativ zu einem zweiten Element zu vereinfachen. Diese Begriffe sind so zu verstehen, dass sie auch andere als die in den Figuren gezeigten Ausrichtungen der Anordnungen umfassen. Weiterhin werden Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen dazu verwendet, verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte und so weiter zu bezeichnen. Weiterhin bezeichnen gleiche Begriffe in der gesamten Beschreibung gleiche Elemente.

Claims (15)

  1. Leistungsmodul umfassend: ein Substrat (118) mit einem isolierenden Element (120) und einer auf das isolierende Element (120) aufgebrachten strukturierten Metallisierung (122), wobei die strukturierte Metallisierung (122) zu einer Anzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen (124) segmentiert ist, wobei zueinander benachbarte der Metallisierungsbereiche (124) jeweils durch eine Fuge (126), die sich jeweils durch die strukturierte Metallisierung (122) hindurch bis zu dem isolierenden Element (120) erstreckt, voneinander beabstandet sind; einen ersten Leistungstransistorschaltkreis (114), der einen ersten Leistungsschalter (128) umfasst, der an einem ersten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, sowie einen zweiten Leistungsschalter (130), der an einem zweiten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, welcher zu einer ersten Seite (132) des ersten Metallisierungsbereichs (124) benachbart ist; und einen zweiten Leistungstransistorschaltkreis (116), der einen dritten Leistungsschalter (134) umfasst, der an dem ersten Metallisierungsbereich (124) befestigt ist, sowie einen vierten Leistungsschalter (136), der an einem dritten der Metallisierungsbereiche (124) befestigt ist, welcher benachbart zu einer an einem der ersten Seite (132) entgegengesetzten Ende des ersten Metallisierungsbereichs (124) liegenden zweiten Seite (138) des ersten Metallisierungsbereichs (124) angeordnet ist, wobei der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) so aufgebaut ist, dass ein in ihm auftretender Stromfluss spiegelsymmetrisch ist zu einem im ersten Leistungstransistorschaltkreis (114) auftretenden Stromfluss.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei dem der erste Leistungstransistorschaltkreis (114) und der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) teilweise oder vollständig spiegelsymmetrisch zueinander aufgebaut sind.
  3. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (118) ein direkt Kupfer gebondetes Substrat ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst: eine erste Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (102), die zur Zuführung eines ersten Versorgungspotentials (DC+) einer ersten Polarität (+) dienen und eine zweite Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (104), die zur Zuführung eines zweiten Versorgungspotentials (DC-) einer zweiten Polarität (-) dienen, wobei die erste Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (102) und die zweite Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (104) entlang derselben Seite (106) des Leistungsmoduls (100) angeordnet sind, so dass die erste Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (102) miteinander gruppiert und gemeinsam zwischen einem ersten Satz (200) der zweiten Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (104) und einem zweiten Satz (202) der zweiten Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (104) angeordnet ist.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 4, das weiterhin ein Gehäuse mit einem Kunststoffrahmen (160) umfasst, in dem das Substrat (118), der erste Leistungstransistorschaltkreis (114) und der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) untergebracht sind, wobei die erste Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (102) und die zweite Anzahl von Gleichstromleistungsanschlüssen (104) entlang derselben Seite (106) des Kunststoffrahmens (160) angeordnet und in einem minimalen Abstand voneinander angeordnet sind, der einer erforderlichen Kriechstrecke des Kunststoffrahmens (160) entspricht.
  6. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine erste Fuge (126), die den ersten der Metallisierungsbereiche (124) von dem zweiten der Metallisierungsbereiche (124) trennt, durch eine erste Kante (132) und eine der ersten Kante (132) gegenüberliegende zweite Kante (132') begrenzt wird, wobei eine Breite (WFuge) der ersten Fuge (126) durch einen Abstand zwischen den die erste Fuge (126) begrenzenden, einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Kanten (132, 132') gegeben ist, die die erste Fuge (126) begrenzende erste Kante (132) die erste Seite (132) des ersten Metallisierungsbereichs (124) und die die erste Fuge (126) begrenzende zweite Kante (132') eine der ersten Seite (132) des ersten Metallisierungsbereichs (124) gegenüberliegende Seite (132') des zweiten Metallisierungsbereichs (124) bildet, der erste Leistungsschalter (128) benachbart zu der die erste Fuge (126) begrenzenden ersten Kante (132) mit einem Abstand (DT1) zwischen einer der ersten Fuge (126) zugewandten Seite des ersten Leistungsschalters (128) und der die erste Fuge (126) begrenzenden ersten Kante (132) angeordnet ist, und der zweite Leistungsschalter (130) benachbart zu der die erste Fuge (126) begrenzenden zweiten Kante (132') mit einem Abstand (DT2) zwischen einer der ersten Fuge (126) zugewandten Seite des zweiten Leistungsschalters (128) und der die erste Fuge (126) begrenzenden zweiten Kante (132') angeordnet ist.
  7. Leistungsmodul nach Anspruch 6, bei dem der Abstand (DT1) zwischen der der ersten Fuge (126) zugewandten Seite des ersten Leistungsschalters (128) und der die erste Fuge (126) begrenzenden ersten Kante (132) kleiner oder gleich 0,5 mm ist, und bei dem der Abstand (DT2) zwischen der der ersten Fuge (126) zugewandten Seite des zweiten Leistungsschalters (130) und der die erste Fuge (126) begrenzenden zweiten Kante (132') kleiner oder gleich 0,5 mm ist.
  8. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine zweite Fuge, die den ersten der Metallisierungsbereiche (124) von dem dritten der Metallisierungsbereiche (124) trennt, durch eine erste Kante und eine der ersten Kante gegenüberliegende zweite Kante begrenzt wird, wobei eine Breite der zweiten Fuge durch einen Abstand zwischen den die zweite Fuge begrenzenden, einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Kanten gegeben ist, die die zweite Fuge begrenzende erste Kante die zweite Seite (138) des ersten Metallisierungsbereichs (124) und die die zweite Fuge begrenzende zweite Kante eine der zweiten Seite (138) des ersten Metallisierungsbereichs (124) gegenüberliegende Seite des dritten Metallisierungsbereichs (124) bildet, der dritte Leistungsschalter (134) benachbart zu der die zweite Fuge begrenzenden ersten Kante mit einem Abstand zwischen einer der zweiten Fuge zugewandten Seite des dritten Leistungsschalters (134) und der die zweite Fuge begrenzenden ersten Kante angeordnet ist, und der vierte Leistungsschalter (136) benachbart zu der die zweite Fuge begrenzenden zweiten Kante mit einem Abstand zwischen einer der zweiten Fuge zugewandten Seite des vierten Leistungsschalters (136) und der die zweite Fuge begrenzenden zweiten Kante angeordnet ist.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 8, bei dem der Abstand zwischen der der zweiten Fuge zugewandten Seite des dritten Leistungsschalters (134) und der die zweite Fuge begrenzenden ersten Kante kleiner oder gleich 0,5 mm ist, und bei dem der Abstand zwischen der der zweiten Fuge zugewandten Seite des vierten Leistungsschalters (136) und der die zweite Fuge begrenzenden zweiten Kante kleiner oder gleich 0,5 mm ist.
  10. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Leistungstransistorschaltkreis (114) und der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) jeweils als Halbbrückenschaltkreis ausgebildet sind.
  11. Leistungsmodul nach Anspruch 10, bei dem der erste Leistungsschalter (128) ein erster High-Side Schalter ist, der zweite Leistungsschalter (130) ein erster Low-Side Schalter, der dritte Leistungsschalter (134) ein zweiter High-Side Schalter und der vierte Leistungsschalter (136) ein zweiter Low-Side Schalter.
  12. Leistungsmodul nach Anspruch 10, bei dem der erste Leistungsschalter (128) ein erster Low-Side Schalter ist, der zweite Leistungsschalter (130) ein erster High-Side Schalter, der dritte Leistungsschalter (134) ein zweiter Low-Side Schalter und der vierte Leistungsschalter (136) ein zweiter High-Side Schalter.
  13. Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Leistungstransistorschaltkreis (114) so betrieben werden kann, dass er einen ersten Stromfluss durch den ersten Leistungsschalter (128) und durch den zweiten Leistungsschalter (130) erzeugt, der eine erste Stromschleife (A) in einer ersten Richtung durchläuft, und bei dem der zweite Leistungstransistorschaltkreis (116) so betrieben werden kann, dass er einen zweiten Stromfluss durch den dritten Leistungsschalter (134) und durch den vierten Leistungsschalter (136) erzeugt, der eine zweite Stromschleife (B) in einer zweiten Richtung durchläuft, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, so dass ein magnetisches Feld, das als Folge des ersten Stromflusses entsteht, wenigstens teilweise einem magnetischen Feld entgegenwirkt, das als Folge des zweiten Stromflusses entsteht.
  14. Leistungsmodul nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 8 bis 12 oder nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der erste Leistungstransistorschaltkreis (114) so betrieben werden kann, dass er einen ersten Stromfluss durch den ersten Leistungsschalter (128) und durch den zweiten Leistungsschalter (130) erzeugt, wobei der erste Stromfluss eine erste Stromschleife (A) durchläuft und die erste Stromschleife (A) eine Breite (WSCHLEIFE) besitzt, die korrespondiert mit einer Breite (WT1) des ersten Leistungsschalters (128) und einer Breite (WT2) des zweiten Leistungsschalters (130) sowie mit der Breite (WFuge) der ersten Fuge (126), die den ersten Metallisierungsbereich (124) und den zweiten Metallisierungsbereich (124) trennt, dem Abstand (DT1) zwischen der die erste Fuge (126) begrenzenden Kante (132) und der Seite des ersten Leistungsschalters (128), die der ersten Fuge (126) zugewandt ist, und dem Abstand (DT2) zwischen der die erste Fuge (126) begrenzenden zweiten Kante (132') und der Seite des zweiten Leistungsschalters (130), die der ersten Fuge (126) zugewandt ist.
  15. Leistungsmodul nach Anspruch 6 und Anspruch 13 oder nach Anspruch 7 und Anspruch 13 oder nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 8 bis 12 und Anspruch 13 oder nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 8 bis 12 und Anspruch 13, bei dem die erste Stromschleife (A) eine Breite (WSCHLEIFE) besitzt, die korrespondiert mit einer Breite (WT1) des ersten Leistungsschalters (128) und einer Breite (WT2) des zweiten Leistungsschalters (130) sowie mit der Breite (WFuge) der ersten Fuge (126), die den ersten Metallisierungsbereich (124) und den zweiten Metallisierungsbereich (124) trennt, dem Abstand (DT1) zwischen der die erste Fuge (126) begrenzenden Kante (132) und der Seite des ersten Leistungsschalters (128), die der ersten Fuge (126) zugewandt ist, und dem Abstand (DT2) zwischen der die erste Fuge (126) begrenzenden zweiten Kante (132') und der Seite des zweiten Leistungsschalters (130), die der ersten Fuge (126) zugewandt ist.
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