-
Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement und wenigstens zwei erste Kontaktstellen angeordnet sind, wobei das Bauelement und die ersten Kontaktstellen elektrisch verbunden sind. Weiterhin umfasst das Modul eine Leiterplatte, die mit dem Bauelement auf dem Substrat elektrisch verbunden ist.
-
Nach dem Stand der Technik werden leistungselektronische Bauelemente häufig auf keramische Substrate aufgebracht und über auf einem solchen Substrat vorhandene Kontaktstellen mit einer übergeordneten Leiterplatte kontaktiert. Für die Verbindung der elektrischen Halbleiterbauelemente mit einem Substrat existieren verschiedene Aufbautechnologien. Typischerweise wird ein keramisches Substrat, beispielsweise ein DCB-Substrat (Direkt-Kupfer-Verbindungs-Substrat) eingesetzt. Das DCB-Substrat ist dabei mit Kontaktstellen für die Kontaktierung des Bauelements auf dem Substrat und für die Kontaktierung des Substrats in einem übergeordneten Stromkreis ausgestattet, wobei die einzelnen Kontaktstellen durch Leiterbahnen verbunden sind. Das elektronische Bauelement kann nach herkömmlichen Methoden durch Verbindungsdrähte mit dem Substrat kontaktiert werden. Besonders vorteilhaft hat sich in letzter Zeit hierfür auch das sogenannte SiPLIT-Verfahren erwiesen, wobei SiPLIT für „Siemens planare Verbindungstechnologie“ steht. Wie in der
WO 03030247 beschrieben, wird beim SiPLIT-Verfahren die Isolierung und Strukturierung von Kontaktleiterbahnen mittels des Auftragens einer laserstrukturierten Isolierfolie erreicht. Anschließend werden durch einen Strukturierungsprozess und elektrolytische Metallabscheidung die elektrischen Verbindungen erzeugt.
-
Die beschriebenen Technologien ermöglichen die kostengünstige Herstellung von kompakten Aufbauten mit elektrischen Bauelementen auf Substraten, die eine niedrige Leitungsinduktivität von typischerweise weniger als 10 nH aufweisen. Solche Substrat-Aufbauten sind daher besonders für Anwendungen der Leistungselektronik geeignet, bei denen es auf niedrige Schaltzeiten für hohe Ströme ankommt. Ein weiterer Vorteil der SiPLIT-Technologie ist die Tatsache, dass im Gegensatz zu den Drahtverbindungen kein Verguss mit Silikon erforderlich ist, um Spannungsüberschläge bei den im Leistungsbereich eingesetzten Spannungen zu verhindern. Durch den Wegfall von zusätzlicher Vergussmasse oder anderer Einkapselungen können die bestückten Substrate insgesamt sehr flach ausgeführt werden.
-
Eine ähnliche planare Aufbau- und Verbindungstechnologie für Bauelemente auf Keramik-Substraten ist durch das von Semikron entwickelte sogenannte SKiN-Verfahren gegeben, wie in Power Electronics Europe, Issue 5, July/August 2011, S. 1–5 beschrieben.
-
Eine Schwierigkeit stellt nach dem bisherigen Stand der Technik die Herstellung einer niederinduktiven elektrischen Verbindung der die Bauelemente tragenden Substrate mit einer übergeordneten Leiterplatte dar. Die übergeordnete Leiterplatte kann beispielsweise weitere elektrische Komponenten zur Ansteuerung der leistungselektronischen Halbleiterbauelemente und zu ihrer Einbindung in einen äußeren Stromkreis umfassen. Bisher werden zur Verbindung der Substrate mit übergeordneten Leiterplatten meist Schraub-, Löt- oder Pressverbindungen eingesetzt, bei denen die Kontaktstellen von Substrat und Leiterplatte entweder direkt oder über Verbindungsleiter in elektrischen Kontakt gebracht werden. Der Nachteil solcher Verbindungstechniken ist, dass die Leitungsinduktivität dieser Verbindung wesentlich höher ist als die Leitungsinduktivität der auf den Substraten montierten Bauelemente und somit die Schaltgeschwindigkeit der Bauelemente im übergeordneten Stromkreis begrenzt. Ein weiterer Nachteil ist der relativ hohe Platzbedarf der bekannten Schraub-, Löt- oder Pressverbindungen, besonders in der Richtung senkrecht zur Substratoberfläche. Vor allem bei Verwendung einer planaren Aufbautechnologie für die Halbleiterbauelemente auf dem Substrat ist es wünschenswert, auch die elektrische Kontaktierung des Substrats in dieser Richtung möglichst platzsparend auszuführen, da dann insgesamt eine sehr kompakte Bauform erreicht werden kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verbindung zwischen den Kontaktstellen eines Substrats und den Kontaktstellen einer Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Leistungselektronikmodul gelöst. Das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul umfasst ein Substrat, auf dem wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement und wenigstens zwei erste Kontaktstellen angeordnet sind, wobei das Bauelement und die ersten Kontaktstellen elektrisch miteinander verbunden sind. Das Modul umfasst weiterhin eine elektrische Leiterplatte mit wenigstens zwei zweiten Kontaktstellen und wenigstens eine elektrische Steckverbindung, über die die ersten Kontaktstellen des Substrats und die zweiten Kontaktstellen der Leiterplatte jeweils paarweise elektrisch miteinander verbunden sind.
-
Die erfindungsgemäße Steckverbindung ermöglicht eine einfache Kontaktierung des Substrats mit der Leiterplatte, wobei diese Verbindung einen geringen Platzbedarf aufweist und gleichzeitig eine niedrige parasitäre Leitungsinduktivität bewirkt. Außerdem ist es durch die Ausgestaltung der Steckverbindung möglich, die für den jeweiligen Leistungsbereich geforderten Kriechstrecken zwischen den gebildeten wenigstens zwei Leiterzweigen einzuhalten.
-
Unter einem Leistungs-Bauelement soll hier ein Bauelement verstanden werden, das zur Umwandlung von elektrischer Energie im Leistungsbereich von etwa einem Watt bis zu einigen Gigawatt eingesetzt werden kann. Die eingesetzten elektrischen Spannungen liegen dabei typischerweise oberhalb von 5 V, oft sogar oberhalb von 100 V, und die elektrischen Ströme liegen typischerweise oberhalb von 500 mA. Für den Einsatz solcher Leistungs-Bauelemente ist das Erreichen niedriger Leitungs-Induktivitäten besonders wichtig, um die hohen Ströme mit hohen Schaltfrequenzen, also mit niedrigen Schaltzeiten schalten zu können. Leistungs-Bauelemente werden beispielsweise in Wechselrichtern, Gleichstromstellern oder Leistungsschaltern eingesetzt. Häufig eingesetzte Leistungs-Bauelemente sind Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, sogenannte IGBTs. Das leistungselektronische Bauelement kann über auf dem Substrat integrierte Leiterbahnen mit den ersten Kontaktstellen elektrisch verbunden sein.
-
Das Leistungselektronikmodul kann als Stromrichter-Modul ausgebildet sein, beispielsweise als Wechselrichter, Gleichrichter oder Umrichter. Alternativ kann das Modul als Gleichstromsteller ausgebildet sein. Derartige Leistungsmodule haben typischerweise Stromflanken von mehreren kA/µs und Spannungsflanken von mehreren kV/µs.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Leistungselektronikmodul zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Das leistungselektronische Bauelement kann über eine planare Verbindungstechnologie mit den ersten Kontaktstellen elektrisch verbunden sein. Die planare Verbindungstechnologie kann durch die Verwendung strukturierter Isolierfolien und/oder flacher Kontaktleiterbahnen gekennzeichnet sein. Durch die Verwendung der Steckverbindung ist es dann möglich, die Vorteile einer planaren Aufbautechnik des Bauelements auf dem Substrat auf das gesamte Leistungsmodul zu übertragen. Es wird also nicht nur für das Substrat, sondern für das gesamte Modul eine kompakte Bauform bei gleichzeitig niedriger Induktivität und einem Schutz vor Spannungsüberschlägen erreicht.
-
Das wenigstens eine auf dem Substrat angeordnete leistungselektronische Bauelement kann frei von Vergussmasse sein. Dies ist insbesondere bei der Verwendung einer planaren Aufbautechnologie auf dem Substrat zweckmäßig, bei der eine strukturierte Isolierfolie verwendet wird. In diesen Fällen ist es nicht nötig, elektrische Überschläge zwischen verschiedenen Stellen auf dem Substrat durch einen Verguss mit Vergussmasse zu verhindern. Auch ist es nicht nötig, ein separates Gehäuse um das einzelne Substrat oder eine Gruppe von mehreren Substraten anzuordnen. Vielmehr kann das Substrat dann möglichst direkt und mit einem kurzen Leitungsabstand an die Leiterplatte kontaktiert werden. Falls nötig, kann das gesamte Leistungselektronikmodul dann in einem Gehäuse angeordnet werden, aber einzelne Gehäuse auf Modulebene sind in dieser Ausführungsform nicht zwingend nötig.
-
Die Richtungen von Stromflüssen durch die Steckverbindung können im Wesentlichen senkrecht zu einer das Bauelement tragenden Oberfläche des Substrats angeordnet sein. In dieser Ausführungsform dient die wenigstens eine Steckverbindung dazu, die Leiterebene des Substrats mit der Leiterebene der Leiterplatte auf platzsparende Weise und mit möglichst kurzen Leiterwegen elektrisch miteinander zu verbinden. Es können auch mehrere Steckverbindungen vorhanden sein, die diese beiden Ebenen über zu den Ebenen senkrechte Verbindungen miteinander kontaktieren.
-
Die elektrische Steckverbindung kann wenigstens zwei Kontaktstifte und wenigstens zwei Kontaktbuchsen umfassen. In dieser Ausführungsform sind die wenigstens zwei zwischen Substrat und Leiterplatte zu schaffenden Kontakte in einer gemeinsamen Steckverbindung geführt. Damit kann die Leitungsinduktivität dieser beiden Kontakte möglichst gering gehalten werden. Es ist aber auch möglich, mehr als zwei Kontakte auf mehr als zwei Steckverbindungen zu verteilen, wobei die Zahl der Kontakte pro Stecker auch größer als zwei sein kann. Es kann auch nur ein Kontakt pro Steckverbindung oder eine andere ungerade Anzahl von Kontakten pro Steckverbindung vorliegen.
-
Die Kontaktstifte können in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Sie können alternativ aber auch andere Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise in der Form eines Quadrats, eines flachen Rechtecks und/oder eines Rechtecks mit oder ohne abgerundete Ecken.
-
Es können die wenigstens zwei Kontaktstifte auf dem Substrat und die wenigstens zwei Kontaktbuchsen auf der Leiterplatte angeordnet sein.
-
Die Steckverbindung kann federelastisch ausgeführt sein. Insbesondere können bei einer Ausführungsform mit Kontaktstiften die Kontaktstifte federelastisch ausgeführt sein. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch eine elastische Biegung der Kontaktstifte Bewegungen der Leiterplatte und des Substrats zu einem gewissen Grad mechanisch entkoppelt sein können. Die Elastizität der Kontaktstifte kann beispielsweise durch ein zickzackartiges Profil der Kontaktstifte in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche des Substrats erreicht werden.
-
Das Leistungselektronikmodul kann ein oder mehrere leistungselektronische Bauelemente auf einem oder mehreren Substraten umfassen, wobei dem jeweiligen Bauelement zumindest ein Steckkontakt zugeordnet ist, der die elektrische Verbindung des Bauelements mit der Leiterplatte über ein zusammengehöriges Leiterpaar aus Hinleiter und Rückleiter bewirken.
-
Zusätzlich können für manche leistungselektronischen Bauelemente auch noch weitere Leiter mit weiteren Kontakten vorgesehen sein. Es können zusätzlich auch noch weitere Bauelemente vorhanden sein, die nicht auf diese Weise in den Stromkreis eingebunden sind. Es ist jedoch für viele Bauelemente zweckmäßig, jedes Bauelement zumindest mit einem Hin- und einem Rückleiter in den äußeren Stromkreis einzubinden. Die Leitungsinduktivität wird dann zu einem großen Teil durch die Beiträge dieser einzelnen Paare von Hin- und Rückleitern bestimmt. Daher ist es vorteilhaft, jedes solche Leiterpaar möglichst eng benachbart zu führen. Die Kontakte von zu einem Bauelement gehörigen Hin- und Rückleitern können dabei in einer gemeinsamen Steckverbindung geführt werden, vorteilhaft mit möglichst geringem Abstand zwischen den Leitern.
-
Diese jeweiligen einander zugeordneten Paare von Steckkontakten können vorteilhaft eine Leitungs-Induktivität von höchstens 3nH pro Paar, besonders vorteilhaft höchstens 1nH pro Paar aufweisen. Eine solche Ausgestaltung erlaubt den Einsatz des elektrischen Moduls beispielsweise für Anwendungen mit besonders hohen Taktfrequenzen im Bereich oberhalb von 100 kHz.
-
Die beiden Leiter eines solchen zusammengehörigen Leiterpaares können über die Länge der Verbindung zwischen Substrat und Leiterplatte einen Abstand von höchstens 5 mm, besonders vorteilhaft höchstens 2 mm aufweisen. Zur Verminderung der Leitungsinduktivität liegt außerdem die Länge der Steckkontakte vorteilhaft bei jeweils höchstens 1cm.
-
Die Steckverbindung kann so ausgelegt sein, dass die Kriechstrecken zwischen den Leitern eines zusammengehörigen Leiterpaares wenigstens das Doppelte des kleinsten Abstandes der Leiter betragen. Vorteilhaft betragen die Kriechstrecken wenigstens das Dreifache, besonders vorteilhaft wenigstens das Fünffache des kleinsten Abstandes der Leiter. Hierzu kann der Steckkontakt beispielsweise auf der Seite der Buchsen und/oder auf der Seite der Kontaktstifte mit wenigstens einem Mittelsteg versehen sein. Der Mittelsteg oder die Mittelstege können so ausgeführt sein, dass die zwischen den Leitern für Spannungsüberschläge wirksamen Kriechstrecken durch ihre Form auf wenigstens ein Zweifaches, Dreifaches und/oder Fünffaches des kleinsten unmittelbaren Abstandes der beiden Leiter verlängert sind. Die wenigstens eine Mittelsteg kann sich dazu vorteilhaft senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats erstrecken und zwischen den beiden Steckkontakten eines zusammengehörenden Leiterpaares angeordnet sein. Der wenigstens eine Mittelsteg kann elektrisch isolierend sein. Neben der Einhaltung der Kriechwege kann ein solcher Mittelsteg vorteilhaft eine Führung der zu verbindenden Teile des Steckers bewirken. Die Kriechstrecken zwischen den Leitern eines Leiterpaares können auch mehr als das Doppelte, besonders bevorzugt mehr als das Dreifache des kleinsten Abstandes der Kontaktstifte in der Steckverbindung betragen. Alternativ oder zusätzlich können sie mehr als das Doppelte, besonders bevorzugt mehr als das Dreifache des mittleren Abstandes der Leiter über die Höhe der Steckverbindung betragen.
-
Das Substrat kann ein keramisches Substrat sein. Besonders vorteilhaft kann das Substrat Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Berylliumoxid und/oder Aluminiumnitrid umfassen. Alternativ kann das Substrat auch eine metallische Grundplatte umfassen, die mit einem Dielektrikum beschichtet ist. In jedem Fall kann das Substrat mit Leiterbahn-Strukturen zur Schaffung von Kontaktstellen und zur Verbindung der Kontaktstellen ausgebildet sein. Diese Leiterbahn-Strukturen können als flächige metallische Leiterbahnen, beispielsweise als Leiterbahnen aus Kupfer ausgebildet sein. Das Substrat kann als im Wesentlichen planares Substrat ausgebildet sein, auf dessen Oberfläche das wenigstens eine leistungselektronische Bauelement aufgebracht wird und auf Kontaktstellen der Leiterbahn-Strukturen kontaktiert wird. Das Substrat kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen.
-
Die elektrische Leiterplatte kann zusätzlich eine Steuervorrichtung und/oder eine Anschlussvorrichtung und/oder eine Kondensatorvorrichtung umfassen. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise Treiber für die leistungselektronischen Bauelemente umfassen. Die Anschlussvorrichtung kann Lastanschlüsse zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis umfassen. Die Kondensatorvorrichtung kann beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator eines Umrichters umfassen.
-
Eine die ersten Kontaktstellen umfassende Hauptfläche des Substrats und eine die zweiten Kontaktstellen umfassende Hauptfläche der Leiterplatte können zueinander parallel angeordnet sein. Die Ausführungsform mit zueinander parallelen Hauptflächen von Leiterplatte und Substrat hat den Vorteil, dass das gesamte elektrische Modul auf diese Weise möglichst flach ausgebildet werden kann.
-
Das Leistungselektronikmodul kann zusätzlich eine Entwärmungsvorrichtung umfassen, die an das Substrat thermisch angekoppelt ist. Beispielsweise kann eine Kühlplatte zur Entwärmung des Substrats und der darauf angeordneten Bauelemente vorgesehen sein. Das Substrat kann dann zum Beispiel über einen Anpressdruck an der Leiterplatte, der durch die Steckverbindung an das Substrat übertragen wird an die Kühlplatte gedrückt werden, um einen möglichst guten thermischen Kontakt herzustellen. Hierzu kann die Steckverbindung zur Übertragung einer Kraft von wenigstens 1 Nm von der Leiterplatte auf das Substrat ausgelegt sein. Die Entwärmungsvorrichtung kann auch ein von Kühlkanälen durchflossener Kühlkörper sein, der mit Anschlüssen für ein Kühlmedium versehen ist. Das Substrat kann an einen solchen Kühlkörper beispielsweise aufgeklebt, aufgelötet und/oder durch mechanische Anpresskraft thermisch gekoppelt sein.
-
Die Steckverbindung kann ausgelegt sein, um einen seitlichen Versatz senkrecht zu einer Steckrichtung zwischen Substrat und Leiterplatte von bis zu 1 mm auszugleichen. Die Steckrichtung kann dabei senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Der durch die Steckverbindung ausgleichbare seitliche Versatz kann beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von Substrat und Leiterplatte verursacht sein, da das Substrat bei einem Betrieb des Moduls typischerweise wesentlich heißer wird als die Leiterplatte. Die Steckverbindung kann dann solche unterschiedlichen seitlichen Ausdehnungen vorteilhaft ausgleichen, ohne dass die Kontaktierung unterbrochen wird. Beispielsweise kann auch ein solcher seitlicher Versatz durch eine federelastische Ausführung der Steckverbindung, insbesondere der Kontaktstifte ausgeglichen werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:
-
1 einen seitlichen Querschnitt eines Leistungselektronikmoduls nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
-
2 eine Detailansicht der Steckverbindung aus 1 in getrennter Konfiguration zeigt,
-
3 eine Detailansicht der Steckverbindung aus 1 in zusammengesteckter Konfiguration zeigt,
-
4 die zwischen den beiden Leitern der Steckverbindung eingeschlossene Fläche verdeutlicht und
-
5 eine Detailansicht einer Steckverbindung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
-
1 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines Leistungselektronikmoduls 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Substrat 3, auf dem mit planarer Aufbautechnologie zwei leistungselektronische Bauelemente 5 aufgebracht sind. Das Substrat 3 ist hier ein Keramiksubstrat, das in Teilbereichen mit einer Kupferschicht metallisiert ist. Die Bauelemente 5 sind hier ein als IGBT ausgeführte Siliziumchips, die mit der planaren Aufbautechnologie unter Verwendung einer Isolierfolie mit hier nicht gezeigten planaren Kontaktleiterbahnen auf ebenfalls nicht gezeigte Kontaktierungsstellen für die Bauelement 5 elektrisch kontaktiert ist. Über im Keramiksubstrat 3 integrierte Leiterbahnen ist jedes Bauelement 5 mit mehreren ersten Kontaktstellen 7 des Substrats 3 elektrisch verbunden.
-
Das in 1 links dargestellte Bauelement ist dabei mit zwei ersten Kontaktstellen 7 elektrisch verbunden, das in 1 rechts dargestellte Bauelement ist dagegen mit vier ersten Kontaktstellen 7 elektrisch verbunden. Alle gezeigten Kontaktstellen sind über Steckverbindungen 15 elektrisch mit zweiten Kontaktstellen 27 auf einer übergeordneten Leiterplatte 19 verbunden. Die Leiterplatte 19 ist in diesem Beispiel parallel zur Oberfläche des Substrats 3 angeordnet und bildet mit diesem einen flachen Stapel. Die Querschnittsfläche der Leiterplatte 19 ist in diesem Beispiel jedoch größer als die Querschnittsfläche des Substrats 3. Gezeigt ist nur ein Ausschnitt aus der Leiterplatte 19. Es ist möglich, dass in den nicht gezeigten Bereichen der Leiterplatte 19 auch noch weitere Substrate 3 mit ähnlichen Bauelementen 5 auf ähnliche Weise über Steckkontakte 15 verbunden sind. Die Leiterplatte 19 trägt hier eine übergeordnete Steuervorrichtung für die mit der Leiterplatte 19 in Verbindung stehenden Substrate 3 und eine Anschlussvorrichtung für das gesamte Leistungselektronikmodul 1. Die Steckverbindungen 15 zur Herstellung der elektrischen Kontakte zwischen Leiterplatte 19 und Substrat 3 sind in diesem Beispiel reversibel ausgelegt, das heißt, die Verbindungen können mehrfach gelöst und wieder neu zusammengesteckt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Steckverbindungen nach einem Zusammenstecken irreversibel zu fixieren, beispielsweise durch einen Verguss oder eine Verklebung im Bereich der Steckverbindung.
-
Die in 1 gezeigten ersten Kontaktstellen 7 auf dem Substrat 3 und die zweiten Kontaktstellen 27 auf der Leiterplatte 19 sind jeweils paarweise benachbart angeordnet. Jede der drei Steckverbindungen 15 verbindet dabei ein zusammengehöriges Leiterpaar, so dass drei eng beieinander geführte Paare an Verbindungsleitern zwischen Substrat 3 und Leiterplatte 19 vorliegen.
-
Das Substrat 3 ist über eine Wärmeleitpaste 41 thermisch leitend mit einer Kühlplatte 43 verbunden. Die Kühlplatte 43 kann mit Kühlrippen ausgestattet sein und/oder sie kann von Kühlkanälen durchzogen sein, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. In diesem Beispiel ist nur das Substrat 3 an die Kühlplatte 43 direkt angekoppelt, da auf dem Substrat 3 der Großteil der im Modul 1 entstehenden Wärme erzeugt wird und das Substrat 3 durch den Betrieb der leistungselektronischen Bauelemente 5 wesentlich heißer wird als die Leiterplatte 19.
-
2 zeigt eine schematische Detailansicht einer der in 1 gezeigten Steckverbindungen 15. Gezeigt ist eine getrennte Konfiguration der Steckverbindung 15, in der Substrat 3 und Leiterplatte 19 noch nicht elektrisch verbunden sind. In diesem Beispiel ist die Leiterplatte 19 mit einem nichtleitenden Sockel 24 der Steckverbindung 15 versehen. Der Sockel 24 ist hier ein Kunststoffsockel, der über eine Klebeverbindung mit einem Material der Leiterplatte 19 verbunden ist. Der Sockel 24 trägt zwei elektrische Leitungen 26, die jeweils eine Kontaktbuchse 23 ausbilden und jeweils mit einer der zweiten Kontaktstellen 27 elektrisch verbunden sind. Zwischen den Kontaktbuchsen 23 ist ein Mittelsteg 25 des Sockels 24 ausgebildet, der bei einem Zusammenfügen der Steckverbindung 15 entlang einer Steckrichtung 17 eine Führung der zu verbindenden Teile erleichtert.
-
Die ersten Kontaktstellen 7 des Substrats 3 sind elektrisch mit zwei Kontaktstiften 21 verbunden, die zueinander spiegelbildlich ausgeführt sind. Sie weisen in der gezeigten Schnittebene ein zickzackartiges Profil auf, was zu einer federelastischen Biegsamkeit parallel zur Steckrichtung 17 führt. Durch diese Biegsamkeit können das Substrat 3 und die Leiterplatte 19 im verbundenen Zustand zu einem gewissen Grad mechanisch entkoppelt sein. Auch parallel zur Oberseite 4 des Substrats weisen die Kontaktstifte 21 eine elastische Verformbarkeit auf, so dass Substrat 3 und Leiterplatte 19 auch seitlich, parallel zu dieser Oberseite 4 gegeneinander eine gewisse Beweglichkeit aufweisen, beispielsweise um unterschiedliche thermische Ausdehnungen auszugleichen.
-
Die Kontaktstifte 21 haben in diesem Beispiel die Form flacher Leiterbänder. Sie weisen also in einer Schnittebene parallel zur Oberfläche 4 des Substrates 3 einen Querschnitt in Form eines sehr flachen Rechtecks auf. Sie können jedoch auch alternativ einen kreisförmigen oder anders ausgeformten Querschnitt aufweisen.
-
Die hier gezeigte Konfiguration, bei der die Kontaktbuchsen 23 auf der Seite der Leiterplatte 19 und die Kontaktstifte 21 auf der Seite des Substrats 3 angeordnet sind, ist in vielen Fällen leichter umzusetzen als die umgekehrte Konfiguration, die allerdings auch möglich ist. Ein nichtleitender Sockel 24 aus Kunststoff ist leichter auf der Leiterplatte 19 zu befestigen als auf einem keramischen Substrat 3. Die Kontaktstifte 21 können dagegen leicht auf beispielsweise metallischen ersten Kontaktstellen 7 eines Substrats 3 befestigt werden. Sie können beispielsweise dort aufgelötet werden, ohne dass die Herstellung einer Klebeverbindung auf der Keramik nötig ist.
-
In 3 ist die Steckverbindung 15 in zusammengesteckter Konfiguration gezeigt. Hier sind die Kontaktstifte 21 in die Kontaktbuchsen 23 eingeführt, so dass die zweiten Kontaktstellen 27 mit den ersten Kontaktstellen 7 über die Steckverbindung 15 in Form zweier nahe beieinander geführter Verbindungsleiter elektrisch verbunden sind. Die hauptsächlichen Stromflussrichtungen 28 durch die Steckverbindung liegen hier senkrecht zu der Oberfläche 4 des Substrats. Über eine auf die Leiterplatte 19 ausgeübte Anpresskraft 53 wird dabei das Substrat 3 auf die hier nicht dargestellte Kühlplatte 43 gepresst.
-
Der kleinste Abstand 29 der beiden Leiter ist hier etwa durch die Breite des Mittelstegs 25 vorgegeben. Der kleinste Abstand der Kontaktstifte 30 in den in die Buchsen 23 eingeführten Abschnitten liegt etwas darüber. Die relativ große Ausdehnung des Mittelstegs 25 in Steckrichtung 17 bewirkt, dass die für eventuelle Spannungsüberschläge zwischen den beiden Leitern wirksamen Kriechstrecken 31 deutlich länger sind als der kleinste Abstand der Leiter 29 und auch als der kleinste Abstand der Kontaktstifte 30. Unter den Kriechstrecken 31 sollen hier sowohl die eigentlichen Kriechstrecken entlang Materialoberflächen als auch die zwischen solchen Oberflächen zu überwindenden direkten Luftstrecken verstanden werden. Gemeint ist der insgesamt wirksame, kürzeste Weg für einen Spannungsüberschlag. Die Kriechstrecken 31 zwischen den Leitern des zusammengehörigen Leiterpaares sind hier vorteilhaft mindestens doppelt so groß wie der kleinste Abstand der Kontaktstifte 30. Sie können vorteilhaft auch mehr als dreimal oder mehr als fünfmal so groß sein.
-
In 4 ist wiederum eine schematische Detailansicht der Steckverbindung 15 gezeigt. In dieser Darstellung ist die in dem gezeigten Querschnitt von dem ersten Leiterzweig 34a und dem zweiten Leiterzweig 34b des zusammengehörenden Leiterpaares insgesamt eingeschlossene Fläche 33 durch Schraffur hervorgehoben. Diese Fläche 33 bestimmt maßgeblich die durch die Verbindung hervorgerufene parasitäre Leitungsinduktivität. Auch der mittlere Abstand der beiden Leiter über die Höhe der Steckverbindung ist in diesem Beispiel kleiner als die Kriechstrecken 31, so dass die Leitungsinduktivität vorteilhaft gering ist. Auch die Höhe der Steckverbindung 15 beeinflusst die Größe der eingeschlossenen Fläche 33. Die Höhe der Steckverbindung 15 in Steckrichtung 17 kann vorteilhaft unterhalb von 10 mm, besonders vorteilhaft unterhalb von 5 mm liegen.
-
In 5 ist eine Detailansicht einer Steckverbindung 15 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auch diese Steckverbindung 15 verbindet die ersten Kontaktstellen 7 eines Substrats 3 mit den zweiten Kontaktstellen 27 einer Leiterplatte 19 in einem Leistungselektronikmodul 1. In diesem Beispiel ist auch das Substrat mit zwei nichtleitenden Stegen 35 versehen. Der Mittelsteg 25 des auf der Leiterplatte 19 angebrachten Sockels 24 wird beim Zusammenstecken der Verbindung etwa mittig zwischen diesen beiden Stegen 35 eingeführt. Durch diese beiden zusätzlichen Stege 35 wird die Kriechstrecke 31 zwischen den beiden Leitern zusätzlich verlängert. Sie kann beispielsweise mindestens das Fünffache des kleinsten Abstands 30 der Kontaktstifte betragen. So kann erreicht werden, dass die Leitungsinduktivität der Steckverbindung 15 sehr gering gehalten werden kann und trotzdem die für eine bestimmte Betriebsspannung geforderte minimale Kriechstrecke 31 eingehalten werden kann.
-
Das Leistungselektronikmodul 1 kann beispielsweise für eine Betriebsspannung oberhalb von 100 V ausgelegt sein. Dann kann die geforderte Kriechstrecke beispielsweise bei mindestens 1 mm und/oder mindestens 2 mm liegen, abhängig von Verschmutzungsgrad und Isolierstoffgruppe. Der für die Induktivität wirksame mittlere Abstand der beiden Leiter eines Leiterpaares kann dann trotzdem kleiner sein als die geforderte Kriechstrecke, also beispielsweise kleiner als 1 mm. Das Leistungselektronikmodul 1 kann für eine Betriebsspannung oberhalb von 500 V ausgelegt sein, und die geforderte Kriechstrecke kann beispielsweise oberhalb von 2.5 mm und/oder oberhalb von 5 mm liegen. Auch dann kann durch eine vorteilhafte Auslegung der Steckverbindung 15 der kleinste und/oder der mittlere Abstand der beiden Leiter eines zusammengehörigen Leiterpaares kleiner als die geforderte Kriechstrecke sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Power Electronics Europe, Issue 5, July/August 2011, S. 1–5 [0004]
