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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Leistungshalbleitermodule sind Halbleiterbaugruppen, die in Leistungselektronik-schaltungen zum Einsatz kommen. Leistungshalbleitermodule kommen üblicherweise in Fahrzeug- und Industrieanwendungen zum Einsatz, wie in Invertern und Gleichrichtern. Die Halbleiterkomponenten, die in den Leistungshalbleitermodulen enthalten sind, sind üblicherweise IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Halbleiterchips oder MOSFET(Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor)-Halbleiterchips. Die IGBT- und MOSFET-Halbleiterchips weisen variierende Nennspannungen und -leistungen auf. Einige Leistungshalbleitermodule weisen zum Überspannungsschutz auch zusätzliche Halbleiterdioden (d. h. Freilaufdioden) im Halbleiterpaket auf.
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Für höhere Leistungsanwendungen weist ein Leistungshalbleitermodul üblicherweise mehrere Halbleiterchips integriert auf einem einzelnen Substrat auf. Das Substrat weist üblicherweise ein isolierendes Keramiksubstrat, wie Al2O3, AlN, Si3N4 oder ein anderes geeignetes Material auf, um das Leistungselektronikmodul elektrisch zu isolieren. Mindestens die Oberseite des Keramiksubstrates ist entweder mit reinem oder plattiertem Cu, Al oder einem anderen geeigneten Material metallbeschichtet, um elektrische und mechanische Kontakte für die Halbleiterchips bereitzustellen. Die Metallschicht wird üblicherweise mit Hilfe eines direkten Kupfer-Bonding-Verfahrens (DCB), eines direkten Aluminium-Bonding-Verfahrens (DAB) oder eines aktiven Metallhartlötverfahrens (AMB) an das Keramiksubstrat gebondet.
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Weichlöten mit Sn-Pb, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu oder einer anderen geeigneten Lötlegierung kommt üblicherweise nicht nur zum Anbringen des Halbleiterchips auf einem metallbeschichteten Keramiksubstrat zum Einsatz, sondern auch um die elektrischen Anschlusselemente mit den zuvor erwähnten Kontakten zu verbinden.
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Da zum Schutz der Halbleiterchips diese regelmäßig in einem elektrisch isolierenden und teilweise auch hermetisch dichten Gehäuse aus Kunststoff untergebracht sind, sind die Anschlusselemente über Durchbrüche aus dem Gehäuse herausgeführt und weisen außerhalb des Gehäuses angeordnete Kontaktabschnitte auf. Die Anschlusselemente sind üblicherweise als Metallformteil ausgebildet.
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Die dauerhafte Stabilität der Lötverbindung der Anschlusselemente ist ein wichtiger Aspekt bei Leistungshalbleitermodulen. Während des Betriebes von Leistungselektronikmodulen werden die Bereiche unter den Halbleiterchips hohen Temperaturen ausgesetzt. In diesen Bereichen überlagern sich die Umgebungslufttemperatur und die innerhalb des Halbleiterchips dissipierte Wärme. Dies führt zu einer Temperaturwechselbeanspruchung während des Betriebes der Leistungselektronikmodule, welche bei Überbeanspruchung zu Rissbildung and Abreißen der Lötverbindungen, insbesondere der der Anschlusselemente, führen kann.
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Eine zusätzliche mechanische Beanspruchung bei der Herstellung der elektrischen Verbindung der äußeren Kontaktabschnitte insbesondere der des Steueranschlusselements mit nicht zum Modul gehörigen elektrischen Zu- bzw. Ableitungen muss daher minimiert oder möglichst ausgeschlossen werden. Beispielsweise können Zug- und Druckbeanspruchungen beim Steckverbinden oder Scherbeanspruchungen bei der Herstellung einer Schraubverbindung über das Anschlusselement auf dessen Lötverbindung übertragen werden.
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Vor dem Hintergrund dieser Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, bei dem insbesondere mit geringem konstruktivem Aufwand eine bessere mechanische und damit die Verbindung zum Modulsubstrat schützende Abstützung des Steueranschlusselement erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Ein entsprechend vorteilhaftes Montageverfahren ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Dieses weist ein Modulsubstrat zur thermisch leitenden Befestigung an einem Kühlkörper auf. Bevorzugt umfasst das Modulsubtrat eine metallische Basisplatte, deren eine flache Oberfläche zur Anlage an einen Kühlkörper vorgesehen und damit außerhalb eines nachfolgend beschriebenen Gehäuses angeordnet ist. Die Basisplatte weist beispielsweise ferner einen, oder mehrere Durchbrüche zur Schraubbefestigung an dem Kühlkörper auf.
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Das Leistungshalbleitermodul weist wenigstens einen auf dem Modulsubstrat angeordneten Leistungshalbleiter auf. Beispielsweise handelt es sich um einen Halbleiterschalter, wie ein IGBT, MOSFET oder eine Diode oder Kombinationen daraus. Bevorzugt sind mehrere, beispielsweise zwei oder drei Leistungshalbleiter vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein elektrisch leitend mit dem Leistungshalbleiter verbundenes, bügelförmiges und an dem Modulsubstrat befestigtes Lastanschlusselement vorgesehen. Dieses weist einen ersten Kontaktabschnitt auf.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein elektrisch leitend mit dem Leistungshalbleiter verbundenes und an dem Modulsubstrat befestigtes Steueranschlusselement vorgesehen. Dieses weist einen zweiten Kontaktabschnitt auf.
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Die Begriffe Lastanschlusselement und Steueranschlusselement sind weit auszulegen und sollen im Allgemeinen nicht zwingend eine unterschiedliche konstruktive Auslegung implizieren.
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Bevorzugt ist aber der Begriff Steueranschlusselement so zu verstehen, dass sich das Steueranschlusselement wenigstens durch einen geringeren Leitungsquerschnitt von dem Lastanschlusselement unterscheidet. Bevorzugt unterscheiden sie sich ferner durch eine unterschiedliche Ausgestaltung des zugehörigen Kontaktabschnitts. Bevorzugt ist der zweite Kontaktabschnitt zur Herstellung einer Steckverbindung und/oder Schraubverbindung mit einem elektrischen externen Leiter ausgelegt, während der erste Kontaktabschnitt zur Herstellung einer Schraubverbindung mit einem elektrischen externen Leiter ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein elektrisch isolierendes Gehäuse vorgesehen. Das Gehäuse ist wenigstens teilweise beispielsweise aus Kunststoff hergestellt, wie aus einem Thermoplast, Duroplast, oder einem faserverstärktem, bevorzugt glasfaserverstärkten Kunststoff. Beispielsweise ist das Gehäuse in einem formgebenden Verfahren, wie einem Spritzgussverfahren hergestellt. In dem Gehäuse sind das Modulsubstrat und wenigstens ein Leistungshalbleiter wenigstens teilweise so aufgenommen, dass ferner der erste und zweite Kontaktabschnitt außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Beispielsweise sind der erste und zweite Kontaktabschnitt und eine dem Leistungshalbleiter abgewandte Oberfläche des Modulsubstrats außerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Erfindungsgemäß weist das elektrisch isolierende Gehäuse ein über das Modulsubstrat gestülptes Stülpteil und ein weiteres mit dem Stülpteil verbindbares Einsetzteil auf. Insbesondere das Einsetzteil besteht aus einem faserverstärkten, bevorzugt glasfaserverstärktem Kunststoff, wie einem Thermoplast oder Duroplast. Beispielsweise bilden Stülpteil und Einsetzteile eine das Modulsubstrat abdeckende Haube aus. Bevorzugt wird eine geschlossene Haube ausgebildet, wenn von den Durchbrüchen für den ersten und zweiten Kontaktabschnitt und einem gegebenenfalls vorhandenen Spalt zwischen Stülpteil und Einsetzteil und der das Modulsubstrat aufnehmenden Öffnung abgesehen wird.
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Die Verbindung zwischen Stülpteil und Einsetzteil umfasst ferner eine stoffschlüssige, formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung, bevorzugt ist wenigstens eine formschlüssige Verbindung vorgesehen. Bevorzugt ist die Verbindung lösbar, d.h. reversibel. Beispielsweise ist eine Rastverbindung zwischen Stülpteil und Einsetzteil vorgesehen.
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Erfindungsgemäß untergreift im formschlüssig verbundenen Zustand von dem Stülpteil und dem Einsetzteil das Einsetzteil das wenigstens eine bügelförmige Lastanschlusselement, wobei das Einsetzteil beispielsweise am Lastanschlusselement mehrseitig anliegt. Ferner steht es in Eingriff mit dem Steueranschlusselement, um das Stülpteil und das wenigstens eine Steueranschlusselement über das Lastanschlusselement am Modulsubstrat in wenigstens einer Richtung festzulegen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit durch eine vergleichsweise geringe Anzahl von Komponenten das Lastanschlusselement über das in der Regel wenigstens aufgrund seiner Bügelform mechanisch besonders belastbare Lastanschlusselement abgestützt. Da dem Einsetzteil ferner die Funktion des Verlierschutzes in Bezug auf das Stülpteil zukommt, können Komponenten eingespart werden. Dies wäre insbesondere von Vorteil, wenn das Gehäuse das Modulsubstrat hermetisch umschließen soll. Bevorzugt wird das Steueranschlusselement wenigstens in Richtung seiner Zugbeanspruchung festgelegt, noch bevorzugter erfolgt die Festlegung in Richtung Zug- und Druckbeanspruchung des Steueranschlusselements.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Lötverbindung zwischen dem Steueranschlusselement und dem Modulsubstrat zur elektrischen Verbindung mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiter und zur mechanischen Verbindung mit dem Modulsubstrat vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich um Weichverlötung mittels einer der folgenden Lötlegierungen Sn-Pb, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu.
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Bevorzugt weist das Modulsubstrat eine Basisplatte und mehrere im Innern des Stülpteils angeordnete isolierende Platten auf, wobei auf der isolierenden Platte jeweils wenigstens eine äußere metallische Schicht vorgesehen ist. Dabei sind das Steueranschlusselement und das Lastanschlusselement jeweils mit einer der metallischen Schichten verlötet.
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Bevorzugt handelt es sich bei den isolierenden Platten jeweils um ein Keramiksubstrat, noch bevorzugter jeweils um ein Substrat aus wie Al2O3, AlN, Si3N4.
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Bevorzugt ist das Lastanschlusselement spiegelsymmetrisch ausgebildet, beispielsweise handelt es sich um einen U-förmigen Bügel mit identisch ausgebildeten Schenkeln, wodurch dem Lastanschlusselement nicht nur eine vorteilhafte Laststromverteilung zukommt, sondern auch eine hohe mechanische Stabilität verliehen wird.
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Eine verbesserte mechanische Anbindung des Lastanschlusselements an das Modulsubstrat wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die gegenüberliegenden Enden des bügelförmigen Lastanschlusselements an dem Modulsubstrat, beispielsweise an einer gemeinsamen isolierenden Platte, befestigt sind. Anders ausgedrückt wird so ein tunnelartigen Durchlass bildender Bügel durch das Lastanschlusselement über der Modulsubstrat ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dessen elektrische Verbindung mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiter und dessen mechanischen Verbindung mit dem Modulsubstrat auch als Lötverbindung ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um Weichverlötung mittels einer der folgenden Lötlegierungen Sn-Pb, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere bügelförmige vom Einsetzteil untergriffene Lastanschlusselemente vorgesehen, wobei deren Bügelöffnungen zueinander fluchtend angeordnet sind, wodurch eine besonders effektive und belastbare Abstützung des Steueranschlusselements bewirkt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere, in Rinnen des Stülpteils aufgenommene Steueranschlusselemente vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung weist das Einsetzteil einen kammartigen Vorsprung zum Eingriff mit den Steueranschlusselementen auf.
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Bevorzugt sind das wenigstens eine Lastanschlusselement und das wenigstens eine Steueranschlusselement aus identischem Material hergestellt, um so einfacher die Festlegung des Steueranschlusselements über das Einsetzteil und über das Lastanschlusselement vor dem Hintergrund eines identischen temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten konstruktiv auslegen zu können.
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Bevorzugt sind wenigstens ein Lastanschlusselement und wenigstens ein Steueranschlusselement aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.
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Bevorzugt sind wenigstens ein Lastanschlusselement und wenigstens ein Steueranschlusselement aus einem Metallformteil ausgebildet.
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Bevorzugt ist wenigstens ein Steueranschlusselement im Wesentlichen stabförmig ausgebildet.
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Zur Bereitstellung einer elastischen Flexibiltät, um beispielsweise das Überstülpen des Stülpteils und/oder das Einfädeln der Steueranschlusselemente in dafür vorgesehene Durchbrüche im Stülpteil zu erleichtern, weist das wenigstens eine Steueranschlusselement gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung einen mäanderförmigen und/oder geschlitzten Abschnitt auf. Der mäanderförmige Abschnitt des Steueranschlusselement ermöglicht ferner, dass das am Lastanschlusselement über das Einsetzteil festgelegte Steueranschlusselement in der Lage ist, temperaturbedingte Längendehnung des Lastanschlusselement zu folgen, ohne dass es zu Überbeanspruchung seiner Verbindung mit dem Modulsubstrat kommt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Montageverfahren für ein Leistungshalbleitermodul mit den Schritten:
Bereitstellen eines Modulsubstrats, wenigstens eines auf dem Modulsubstrat angeordneten Leistungshalbleiters, wenigstens eines elektrisch leitend mit dem Leistungshalbleiter verbundenen, bügelförmigen und an dem Modulsubstrat befestigten Lastanschlusselements mit einem ersten Kontaktabschnitt sowie wenigstens eines elektrisch leitend mit dem Leistungshalbleiter verbundenen und an dem Modulsubstrat befestigten Steueranschlusselements mit einem zweiten Kontaktabschnitt.
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In einem weiteren Bereitstellungsschritt wird ein elektrisch isolierendes Gehäuse zur Aufnahme des Modulsubstrats bereitgestellt, wobei das elektrisch isolierende Gehäuse ein Stülpteil und ein weiteres formschlüssig mit dem Stülpteil verbindbares Einsetzteil aufweist.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Stülpen des Stülpteils über das Modulsubstrat.
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In einem zeitlich nachfolgenden Schritt erfolgt ein Verbinden des Einsetzteils mit dem Stülpteil, so dass das Einsetzteil das wenigstens eine bügelförmige Lastanschlusselement untergreifend und in Eingriff mit dem Steueranschlusselement stehend angeordnet ist, um das Stülpteil und das wenigstens eine Steueranschlusselement über das Lastanschlusselement am Modulsubstrat festzulegen. Erfindungsgemäß bleibt dabei die, bevorzugt mit dem Stülpschritt schon erreichte, Situation erhalten, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Somit wird unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten und damit unter Bereitstellung eines einfachen Montageverfahrens für eine relative Festlegung des Steueranschlusselements und des Stülpteils am Modulsubstrat gesorgt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Montageverfahrens wird beim Bereitstellungsschritt ein weiteres elektrisch leitend mit dem Leistungshalbleiter verbundenes und an dem Modulsubstrat befestigtes Lastanschlusselement mit einem dritten Kontaktabschnitt bereitgestellt und in einem dem Schritt des formschlüssigen Verbindens zeitlich vorgeschalteten Schritt, das Lastanschlusselement so gebogen, dass der dritte Kontaktabschnitt auf der Außenseite des Stülpteil anliegt. Dadurch wird eine zusätzliche Fixierung des Stülpteils gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einem Kühlkörper und einem Leistungshalbleitermodul in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und mit den entsprechenden zuvor erwähnten technischen Vorzügen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls;
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2 eine perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei zur Veranschaulichung das Stülpteil nicht dargestellt wurde;
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3 eine perspektivische Detailansicht des in den 1 und 2 gezeigten und zum Gehäuse gehörigen Einsetzteils 1.
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Das elektrisch isolierende Gehäuse weist ein über das Modulsubstrat gestülptes Stülpteil 2 und ein weiteres mit dem Stülpteil formschlüssig verbindbares Einsetzteil 1 auf. Das Modulsubstrat 17 weist eine Basisplatte 9 und mehrere im Inneren des Stülpteils 2 aufgenommene isolierende Platten 12 auf. Die isolierenden Platten 12 sind jeweils ein Keramiksubstrat. Das Keramiksubstrat 12 ist jeweils mit einer äußeren metallischen Schicht aus Kupfer beschichtet. Die vier identisch ausgebildeten Steueranschlusselemente 4 und die zwei identisch ausgebildeten Lastanschlusselemente 11 sind jeweils mit einer der metallischen Schichten verlötet. Jedes dieser Lastanschlusselemente 11 weist eine Spiegelsymmetrie auf und ist aus einem im Vergleich zu den Steueranschlusselementen dickwandigen Kupferteil hergestellt, wobei die Bügelenden jeweils mit dem Modulsubtrat 17 verlötet sind. Die bügelförmige Symmetrie, die Materialstärke sowie die beiderseitige Verlötung lässt dem Lastanschlusselement 11 jeweils nicht nur eine vorteilhafte Laststromverteilung zukommen, sondern verleiht ihm auch eine hohe mechanische Stabilität.
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Das Lastanschlusselement 11 weist jeweils einen ersten Kontaktabschnitt 3 auf, welcher zur Herstellung einer Schraubverbindung mit einem elektrischen externen Leiter dient und außerhalb des durch das Stülpteil 2 und Einsetzteil 1 definierten Gehäuses angeordnet ist, indem es einen zwischen dem Einsetzteil 1 und dem Stülpteil 2 verbleibenden Spalt oder Durchbruch durchgreift.
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Das Einsetzteil 1 untergreift die bügelförmigen Lastanschlusselemente 11 jeweils im Bereich des ersten Kontaktabschnitts 19 und liegt mit drei seiner Flanken jeweils an diesen und damit mehrseitig an. Im Stülpteil 2 sind mehrere Rinnen 7 ausbildende Stege für die Steueranschlusselemente 4 vorgesehen, um einen Berührkontakt zwischen den Steueranschlusselementen 4 zu vermeiden. Die Steueranschlusselemente 4 durchgreifen jeweils einen separaten Durchbruch im Stülpteil, so dass deren zweiter, für die elektrische Steckkontaktierung mit einem nicht dargestellten Leiter vorgesehener Kontaktabschnitt 18 außerhalb des Stülpteils 2 angeordnet ist. Die im Wesentlichen stabförmigen Steueranschlusselemente 4 sind als Kupferblechteil ausgebildet und weisen jeweils eine seitliche Ausnehmung 5 auf, die so angeordnet ist, dass das Einsetzteil 1 beim seitlichen einschiebenden Einsetzen in das Stülpteil 2 mit einem an der in Einsetzrichtung vorne liegenden Kante ausgebildeten Vorsprung 6 darin eingreift. Das Einsetzteil 1 weist für den simultanen Eingriff mit den vier Lastanschlusselementen 4 einen kammartigen Vorsprung 6 auf, wie er in 3 deutlich zu erkennen ist. Dieser Eingriff sorgt dafür, dass jedes der Steueranschlusselemente 4 über das Einsetzteil 1 relativ zu den Lastanschlusselementen 11 und damit zum Modulsubstrat 17 in einer zur Modulsubtrat 17 senkrechten und damit zur zugehörigen Steckverbindungsrichtung parallelen Richtung sowohl auf Druck als auch auf Zug festgelegt ist.
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Die vorgenannte Steckverbindungsrichtung ergibt sich durch den Verlauf des zweiten, durch das freie Ende des stabförmigen Lastanschlusselements 4 definierten Kontaktabschnitt 18. Dieser ist zur Herstellung einer Steckverbindung mit einem elektrischen externen, nicht dargestellten Leiter ausgelegt.
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Elastische Flexibilität, sowie eine Verminderung der Beanspruchung durch temperaturbedingte Längendehnung der Steueranschlusselemente 4 werden durch einen mäanderförmigen und geschlitzten Abschnitt 8 des Steueranschlusselements 4 erreicht. Ein auf der Außenseite des Stülpteils 4 durch Umbiegen anliegendes, weiteres Lastanschlusselement 13 stellt einem dritten, außerhalb des Gehäuses befindlichen Kontaktabschnitt 14 bereit und fixiert das Stülpteil 2 zusätzlich. Auf dem Modulsubstrat 17 sind zwei Leistungshalbleiter 10 angeordnet, welcher bevorzugt unter elektrischer Ansteuerung über die Steueranschlusselemente 4 die Kontaktabschnitte 3, 14 der Lastanschlusselemente 11, 13 miteinander elektrisch verschaltet.
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Das Einsetzteil 1 ist, wie in 2 gezeigt, vorgesehen, die bügelförmigen Lastanschlusselemente 11 im Bereich der ersten Kontaktabschnitte 3 zu untergreifen und an diesen anzuliegen. Das Einsetzteil 1 weist, wie in 3 gezeigt ist, mehrere Ausnehmungen 16 zur formschlüssigen Aufnahme von Muttern auf, die mit nicht dargestellten, die im jeweiligen ersten Kontaktabschnitt vorgesehenen Durchbruch 19 durchgreifenden Schrauben zusammenwirken, um so eine klemmende Befestigung und leitende Verbindung mit einem externen elektrischen Leiter bereitzustellen. Durch einen mäanderförmigen und geschlitzten Abschnitt 8 an jedem der Steueranschlusselemente 4 wird elastische Flexibilität und damit ein erleichtertes Einfädeln der zweiten Kontaktabschnitte 18 in die zugehörigen Durchbrüche des Stülpgehäuses 2 beim Überstülpen erreicht. Gleichzeitig wird eine Verminderung der Beanspruchung durch temperaturbedingte Längendehnung erreicht. Ein auf die Außenseite des Stülpgehäuses anliegendes, gebogenes Lastanschlusselement 13 stellt einem dritten Kontaktabschnitt 14 bereit. Die Basisplatte 9 weist vier Durchbrüche 15 zur Schraubbefestigung an einem nicht dargestellten Kühlkörper auf.
