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Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronisches Submodul mit einem zweiteiligen Isolierstoffkörper, der ein Gehäuse ausbilden kann. Das Submodul kann eine Basiszelle eines Leistungshalbleitermoduls oder eines leistungselektronischen Systems ausbilden, indem sie alleine oder in Kombination mit weiteren vorzugsweise identischen Submodulen den leistungselektronischen Grundbaustein des Leistungshalbleitermoduls oder des leistungselektronischen Systems bildet.
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Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der
DE 10 2013 104 949 B3 , wie auch mit zusätzlichem Gehäuse in der
DE 10 2013 104 950 B3 , ist eine Schalteinrichtung mit einem Substrat, einem Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer Druckeinrichtung bekannt. Hierbei weist das Substrat elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet und weist eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Hiermit wird die Schalteinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden. Die Druckeinrichtung weist einen Druckkörper mit einer ersten Ausnehmung auf aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
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In Kenntnis der genannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein leistungselektronisches Submodul vorzustellen, wobei das Submodul einfach einsetzbar ist und als Basiszelle einen einfachen Aufbau von Leistungshalbleitermodulen oder leistungselektronischen Systemen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Submodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße leistungselektronisches Submodul ist ausgebildet mit einem Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, mit einer Verbindungseinrichtung, mit einer Anschlusseinrichtung und mit einem Isolierstoffkörper. Hierbei weist das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn das Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und damit elektrisch leitend verbunden ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet und bildet somit eine erste dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Substrat zugewandten Hauptfläche und eine der ersten gegenüberliegenden zweite Hauptfläche aus, wobei das Submodul mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist. Der Isolierstoffkörper weist einen ersten Teilkörper auf, der mit einem Rand des Substrats verbunden ist und weist weiterhin eine erste Ausnehmung für das Anschlusselement auf. Der Isolierstoffkörper weist ebenfalls einen zweiten Teilkörper auf, der als ein Druckkörper ausgebildet ist und eine zweite Ausnehmung aufweist aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist. Der erste Teilkörper ist mit dem zweiten Teilkörper derart verbunden , dass dieser zweite Teilkörper gegenüber dem ersten Teilkörper in Richtung zum Substrat beweglich angeordnet ist um mit dem Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbund zu drücken, wobei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Leistungshalbleitermodul und damit der Druckkörper, sowie fachüblich das Lastanschlusselement, mehrfach in dem erfindungsgemäßen Submodul vorhanden sein.
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Bevorzugt ist es, wenn der erste Teilkörper teilweise oder vollständig, vorzugsweise stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung, mit dem Rand des Substrats verbunden ist.
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Erfindungsgemäß sind der erste Teilkörper und der zweite Teilkörper einstückig ausgebildet.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der erste Teilkörper und der zweite Teilkörper mittels eines federnden Zwischenkörpers, insbesondere mittels einer federnden Lasche, miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise besteht der Isolierstoffkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus vernetztem Flüssig-Silikon, besteht.
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Es kann bevorzugt sein, wenn auf der dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Teilkörpers ein, vorzugsweise flächiger, Metallkörper angeordnet ist. Hierbei kann der Metallkörper kraftschlüssig, vorzugsweise mittels einer Rastverbindung, oder stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung mit dem zweiten Teilkörper verbunden sein.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Anschlusseinrichtung als Folienabschnitt und somit als Teil der Verbindungseinrichtung ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise kann die die Anschlusseinrichtung als Lastanschlusseinrichtung und oder als Hilfsanschlusseinrichtung ausgebildet ist. Ebenso können Last- und Hilfsanschlusseinrichtungen im Submodul vorhanden sein.
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Eine der Anschlusseinrichtungen kann als Kontaktfeder ausgebildet sein und kraftschlüssig und elektrisch leitend mit dem Substrat oder der Verbindungseinrichtung verbunden sein.
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Eine der Anschlusseinrichtungen kann als Pressfitkontakt ausgebildet sein und stoffschlüssig und elektrisch leitend mit dem Substrat oder der Verbindungseinrichtung verbunden sein.
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Eine der Anschlusseinrichtungen kann als Metallformkörper ausgebildet sein und kraftschlüssig, vorzugsweise druckkontaktiert oder stoffschlüssig und jeweils elektrisch leitend, vorzugsweise mittels einer Sinterverbindung oder mittels einer Lötverbindung, mit dem Substrat oder der Verbindungseinrichtung verbunden sein. Bei Vorliegen einer kraftschlüssigen Verbindung kann in bevorzugter weise die Krafteileitung auf den Metallformkörper mittels des zweiten Teilkörpers erfolgen.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die hier und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterung der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung oder von Teilen hiervon.
- 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls.
- 2 zeigt eine Anordnung mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls.
- 3 und 4 zeigen dreidimensionale Ansichten einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls 1. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, des Submoduls 1 aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind.
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Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 24 angeordnet, das fachüblich als Leistungsdiode oder als Schalter, beispielhaft als MOS-FET, oder als IGBT, ausgebildet sein kann. Die jeweiligen Leistungshalbleiterbauelemente 24 sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit einer zugeordneten Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
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Die internen Verbindungen des Submoduls 1 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem Folienverbund, der alternierend elektrisch leitende 30, 34 und elektrisch isolierende Folien 32 aufweist. Hier weist der Folienverbund genau zwei leitende und eine dazwischen angeordnete isolierende Folie auf. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche 300 des Folienverbunds 3 bildet hierbei die erste Hauptfläche aus, während die gegenüberliegende die zweite Hauptfläche 340 ausbildet. Insbesondere die leitenden Folien 30, 34 der Verbindungseinrichtung 3 sind in sich strukturiert und bilden somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus. Diese Leiterbahnabschnitte verbinden insbesondere die jeweilige Leistungshalbleiterbauelemente 24, genauer deren Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Leiterbahnabschnitte mit den Kontaktflächen mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können gleichartig auch Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen 24 und zwischen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden.
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Zur externen elektrischen Anbindung weist das Submodul 1 Last- und Hilfsanschlusselemente 4 auf, wobei hier nur ein Hilfsanschlusselement 42 dargestellt ist. Dieses Hilfsanschlusselement 42 ist rein beispielhaft als Kontaktfeder ausgebildet, die mit einem Kontaktfuß mit einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 kraftschlüssig verbunden ist. Grundsätzlich können auch Teile der Verbindungseinrichtung 3 selbst als Last- oder Hilfsanschlusselemente ausgebildet sein. Die nicht dargestellten Lastanschlusselemente können im Übrigen fachüblich ausgebildet sein.
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Das eine dargestellt Hilfsanschlusselement 42, wie vorteilhafterweise auch weitere nicht dargestellte Hilfsanschlusselemente und die ebenfalls nicht dargestellten Lastanschlusselemente sind in Ausnehmungen 524 eines als Gehäuse oder Teilgehäuse ausgebildeten Isolierstoffkörpers 5 angeordnet und dort gegebenenfalls auch in ihrer Position fixiert oder beweglich aber nicht verlierbar gehaltert.
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Der Isolierstoffkörper 5 selbst ist hier einstückig ausgebildet mit einem ersten Teilkörper 52, der mit dem Rand 26 des Substrats 2 mittels einer Klebeverbindung verbunden ist und mit einem zweiten Teilkörper 54, der gegenüber dem ersten Teilkörper 52 und damit auch gegenüber dem Substrat 2 beweglich angeordnet ist. Zur Ausbildung der beweglichen Anordnung weist der Isolierstoffkörper 5 zwei, hier als Laschen ausgebildete, Zwischenkörper 58 auf. Diese Laschen weisen einen S-förmigen Verlauf auf, der die Bewegung, insbesondere in Normalenrichtung des Substrats 2, des zweiten Teilkörpers 54 relativ zum ersten Teilkörper 52 erlaubt.
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Der zweite Teilkörper 54 weist auf seiner dem Substrat 2 zugewanderten Seite Ausnehmungen 546 mit darin angeordneten und geringfügig hervorstehenden Druckkörper 56 auf. Diese sind dafür vorgesehen nach Druckbeaufschlagung auf den zweiten Teilkörper 54 auf Abschnitte, vgl. Beschreibung zu 2, der zweiten Oberfläche 340 der Verbindungseinrichtung 3 zur Drucken. Diese Abschnitte fluchten jeweils mit den darunter angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 24. Der zweite Teilkörper 54 ist besonders starr ausgebildet um auf ihn eingeleiteten Druck homogen auf die Druckkörper 56 weitergeben zu können. Hierzu und vor dem Hintergrund der thermischen Belastungen beim Betrieb der Schalteinrichtung besteht der zweite Teilkörper 54 aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid. Die Druckkörper 56 müssen im Betrieb und hierbei insbesondere bei unterschiedlichen Temperarturen einen im Wesentlichen konstanten Druck ausüben können. Hierzu bestehen die Druckkörper 56 aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus sog. vernetzten Flüssig-Silikon, auch bekannt als Liquid Silicon Rubber (LSR), mit einer Shore A Härte von 20 bis 70, vorzugsweise von 30 bis 40. Diese wird mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahrens innerhalb des zweiten Teilkörpers 54, angeordnet.
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Der zweite Teilkörper 54 weist zusätzlich einen flächigen Metallkörper 540 auf, der hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit in einer weiteren Ausnehmung an der dem Substrat abgewandten Seite angeordnet ist.
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Im unbelasteten Zustand, also ohne Druck auf den zweiten Teilkörper 54 ist dieser und somit insbesondere auch die Druckkörper 56 beabstandet vom Substrat 2 mit angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 24 und mit der Verbindungseinrichtung 3.
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2 zeigt in Explosionsdarstellung eine Anordnung mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls 1. Dargestellt ist hier ein Submodul 1, das sich von demjenigen gemäß 1 unterscheidet durch einen unterschiedliche Ausgestaltung des Hilfsanschlusselements, das hier als Pressfitkontakt 44 ausgebildet ist, und durch ein Fehlen des Metallkörpers des zweiten Teilkörpers 54 und durch eine zusätzliche Beschichtung 36 der vom Substrat 2 abgewandten Oberfläche der Verbindungseinrichtung 3. Diese Beschichtung 36 kann einerseits als Verguss oder andererseits als zusätzliche Folie ausgebildet sein und dient insbesondere dem Schutz vor Feuchtigkeit. Diese Beschichtung wird hier der Verbindungseinheit 3 selbst zugerechnet, sodass die Oberfläche der Beschichtung somit die Oberfläche 340 der Verbindungseinrichtung 3 ausbildet.
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Zusätzlich dargestellt in dieser Anordnung ist eine Kühleinrichtung 6, wie sie fachüblich ist zur Wärmeabfuhr aus den Leistungshalbleiterbauelementen 24 des Submoduls 1. Hierzu wird das Submodul 1 auf der Oberfläche der Kühleinrichtung 6 angeordnet, wobei hierzu fachüblich eine Wärmeleitpaste 60 zwischen Substrat 2 und Kühleinrichtung 6 angeordnet ist. Die Kühleinrichtung 6 ist hier nur beispielhaft, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als Luftkühleinrichtung ausgebildet.
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Rein schematisch ist noch eine Druckeinleiteinrichtung 7 dargestellt, die Druck auf die dem Substrat 2 abgewandte Oberfläche des zweiten Teilkörpers 54 einleitet. Durch diese Druckeinleitung wird der zweite Teilkörper 54 gegenüber dem ersten, der mit dem Rand 26 des Substrats 2 verbunden und somit gegen dieses in Normalenrichtung des Substrats 2 unbeweglich ist, in Richtung des Substrats 2 gedrückt. Somit werden die Druckkörper 56 auf die Abschnitte 342 der Oberfläche 340 der Verbindungseinrichtung 3 gedrückt, die mit den Leistungshalbleiterbauelementen 24 fluchten. Vorzugsweise, wie auch dargestellt, überlappt der Abschnitt 342 der Verbindungseinrichtung 3 auf den Druck eingeleitet wird in der Projektion nicht die Fläche 240 des jeweils zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements 24.
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3 und 4 zeigen dreidimensionale Ansichten einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Submoduls 1, wobei 3 das Submodul vollständig, allerdings ohne Lastanschlusselement zeigt, während 4 einen Schnitt durch das Submodul zeigt.
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Dargestellt ist einerseits das im Grunde fachübliche Substrat 2 mit angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 24 und einer Verbindungseinrichtung 3, wie zu 1 beschrieben, zur internen schaltungsgerechten Verbindung des Submoduls 1. Hierbei überdeckt die Verbindungseinrichtung 3 die Leistungshalbleiterbauelemente 24 so dass diese nicht direkt sichtbar sind, sondern unter den jeweiligen großen rechteckigen Abschnitten der Verbindungseinrichtung angeordnet sind. Hier sind vier IBGTs, erkennbar an den Rechtecken mit Gatezuleitungen 344 und zwei hierzu antiparallel geschaltete Freilaufdioden, erkennbar an den Rechtecken ohne Gatezuleitung, die gemeinsam eine Halbbrückenschaltung ausbilden, angeordnet.
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Beabstandet hiervon dargestellt ist der Isolierstoffkörper 5, einstückig ausgebildet mit einem ersten Teilkörper 52, einem zweiten Teilkörper 54 und zwei diese verbindenden Zwischenkörper 56, die hier wiederum als S-förmige Laschen ausgebildet sind. Der erste Teilkörper 52 bildet einen Rahmen um das Substrat 2, auf dessen Rand 26 der untere Rand 520 des ersten Teilkörpers 52 zu liegen kommt und vorteilhafterweise dort noch mittels einer Klebeverbindung verbunden ist. Zudem weist der erste Teilkörper 52 noch einen Deckelbereich auf, der das Substrat 2 teilweise überdeckt. In diesem Deckelbereich sind eine Mehrzahl von Ausnehmungen 524 angeordnet, in denen die Anschlusselemente angeordnet sind. Fachüblich sind hier Last- 40 und Hilfsanschlusselemente 42 vorgesehen, wobei in 3 nur die Hilfsanschlusselemente dargestellt sind.
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Das in 4 dargestellte Lastanschlusselement 4 ist rein beispielhaft als Metallformkörper ausgebildet, der mit einem Kontaktfuß mit einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 stoffschlüssig, vorteilhafterweise ebenfalls mittels einer Löt- oder Sinterverbindung, verbunden ist.
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Der zweite, gegenüber dem ersten in Richtung auf das Substrat 2, also in dessen Normalenrichtung, bewegliche Teilkörper 54 weist an seiner dem Substrat abgewandten Seite einen aufliegenden Metallkörper 540 auf, der mittels einer Rasteinrichtung 58, ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausgebildet mit einem Schnapphaken und zwei Anschlagelementen 544, auf dem Isolierkörper des zweiten Teilkörpers 54 fixiert ist. Dieser Metallkörper 540 dient der Stabilität und der gleichmäßigen Druckverteilung.
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In 4 zusätzlich sichtbar sind die Druckkörper 56 des zweiten Teilkörpers 54, sowie ein einem dieser Druckkörper 56 zugeordneter Abschnitt 342 der Verbindungseinrichtung 3, auf den dieser Druckkörper bei Druckbeaufschlagung auf den zweiten Teilkörper Druck einleitet.
