DE102016006781A1 - power module - Google Patents

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Abstract

Das Leistungsmodul weist zumindest ein Leistungsbauteil sowie einen Fehlerstrompfad auf, welcher zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltkontakt, die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, aufweist, wobei das Leistungsmodul zumindest einen Abstandshalter aufweist, der ersten und zweiten Schaltkontakt voneinander beabstandet, wobei der zumindest eine Abstandhalter zumindest mittels eines exotherm reaktiven Materials gebildet ist.The power module has at least one power component and a fault current path, which has at least one first and one second switching contact, which is acted upon by force, wherein the power module has at least one spacer, the first and second switching contact spaced from each other, wherein the at least one spacer at least is formed by means of an exothermic reactive material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.The invention relates to a power module.

In der Leistungselektronik sind bei zahlreichen Anwendungen Energiewandlung und Energietransport sicherzustellen. Herkömmliche Leistungsmodule allerdings sind im Fehlerfall bzw. im Abschaltversagen nicht sicher elektrisch leitfähig oder nur mit sehr hohem Aufwand dauerhaft (externe Schutzschalter) elektrisch schaltbar.In power electronics, numerous applications require energy conversion and energy transport. Conventional power modules, however, are not sure electrically conductive in the event of a fault or in the shutdown failure or only with great effort permanent (external circuit breaker) electrically switchable.

Es sind Leistungsmodule bekannt, bei welchen im thermischen Fehlerfall (Ausdehnung, Explosion) ein sicherer dauerhafter Kontakt zwischen Emitter und Kollektor eines Leistungshalbleiters des Leistungsmoduls sichergestellt ist. Dies wird dadurch gewährleistet, dass mittels eines federvorgespannten Druckstempels im Fehlerfall auf den betreffenden Halbleiterchip gedrückt wird, welcher unter Druck und Temperatur durchlegieren kann (sogenannte „Conduct-on-Fail”-Lösung, kurz: „CoF”).Power modules are known in which a reliable permanent contact between emitter and collector of a power semiconductor of the power module is ensured in the event of a thermal fault (expansion, explosion). This is ensured by the fact that is pressed by means of a spring-biased plunger in case of failure on the relevant semiconductor chip, which can alloy under pressure and temperature (so-called "Conduct-on-Fail" solution, in short: "CoF").

Das irreversible Auslösen des Stempels wird durch das Schmelzen oder Erweichen eines Lotmaterials realisiert, welches im vorhergehenden Normalbetrieb einen Abstandshalter bildet. Erste Tests haben jedoch gezeigt, dass das Auslösen des Stempels viel Zeit benötigt. Ein sicherer und insbesondere schneller Conduct-On-Fail-Fall jedoch erfordert ein sehr schnelles Auslösen, vorzugsweise innerhalb weniger Millisekunden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Leistungsmodul zu schaffen, welches eine im Fehlerfall rasch leitend durchschaltet.The irreversible release of the stamp is realized by the melting or softening of a solder material, which forms a spacer in the previous normal operation. However, initial tests have shown that it takes a long time to trigger the stamp. However, a secure and particularly fast conduct-on-fail case requires a very fast trigger, preferably within a few milliseconds. It is therefore an object of the invention to provide an improved power module, which switches through a conductive quickly in the event of an error.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with a power module having the features specified in claim 1. Preferred embodiments of the invention are set forth in the appended subclaims, the following description and the drawing.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist mit zumindest einem Leistungsbauteil sowie mit einem Fehlerstrompfad gebildet. Der Fehlerstrompfad weist zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltkontakt, die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, auf. Das Leistungsmodul weist zudem zumindest einen Abstandshalter auf, der ersten und zweiten Schaltkontakt voneinander beabstandet. Dabei ist der zumindest eine Abstandshalter mittels eines exotherm reaktiven Materials, insbesondere mit einem exotherm reaktiven Material, gebildet.The power module according to the invention is formed with at least one power component and with a fault current path. The fault current path has at least a first and a second switching contact, which are subjected to force to each other on. The power module also has at least one spacer, the first and second switching contact spaced from each other. In this case, the at least one spacer is formed by means of an exothermic reactive material, in particular with an exothermic reactive material.

Es versteht sich, dass mit der Wendung „Fehlerstrompfad” im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Pfad gemeint ist, welcher im Fehlerfall bestromt wird. D. h. ein „Fehlerstrompfad” besteht auch dann, wenn er aktuell nicht bestromt wird, insbesondere im Normalbetrieb. Er weist aber elektrisch leitfähige Elemente auf, welche den Fehlerstrom im Fehlerfall, jedenfalls abschnittsweise, leiten. Im Normalbetrieb folgt der Betriebsstrom vorzugsweise einem „Betriebsstrompfad”.It is understood that the term "fault current path" in the sense of the present application, a path is meant, which is energized in the event of a fault. Ie. a "fault current path" exists even if it is currently not energized, especially in normal operation. However, it has electrically conductive elements which conduct the fault current in the event of a fault, at least in sections. In normal operation, the operating current preferably follows an "operating current path".

Geeigneterweise ist das Leistungsbauteil ein Leistungshalbleiterelement oder weist ein solches Leistungshalbleiterelement auf.Suitably, the power device is a power semiconductor element or has such a power semiconductor element.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist insbesondere ein mit planarer Aufbau- und Verbindungstechnologie realisiertes Leistungsmodul, vorzugsweise ein IGBT-Modul.The power module according to the invention is in particular a power module realized with planar construction and connection technology, preferably an IGBT module.

Vorteilhaft kann mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul ein Conduct-on-Fail-Fall in deutlich geringerer Zeit erreicht werden als bislang bekannt, da bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das exotherm reaktive Material sehr rasch, zweckmäßig innerhalb von wenigen Millisekunden, auslöst. Das exotherm reaktive Material kann sich folglich rasch zersetzen, sodass der Abstandshalter schmelzen oder erweichen oder sich zersetzen kann. Folglich können erster und zweiter Schaltkontakt aufeinander zu bewegt werden, sodass der Fehlerstrompfad bevorzugt bestromt wird. Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter mit einem geringeren Schmelzpunkt oder mit einer geringeren Erweichungstemperatur ausgebildet als das oder ein oder jedes Material des Leistungsbauteils.Advantageously, with the power module according to the invention a conduct-on-fail case can be achieved in a much shorter time than previously known, since in the power module according to the invention, the exothermic reactive material very quickly, advantageously within a few milliseconds, triggers. The exothermic reactive material can consequently decompose rapidly, so that the spacer can melt or soften or decompose. Consequently, the first and second switching contact can be moved towards each other, so that the fault current path is preferably energized. Conveniently, in the power module of the present invention, the spacer having a lower melting point or a softening temperature is formed as the one or each material of the power device.

Erfindungsgemäß können Kurzschließer und Zusatzgehäuse wegfallen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Durch Reduzierung dieser Komponenten bzw. Materialien ist die Zuverlässigkeit, insbesondere die Ausfallsicherheit, des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls erhöht. Bevorzugt steht bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter, zumindest ein Teil des Abstandshalters, mit dem Leistungsbauteil in thermischem Kontakt und/oder mit dem Fehlerstrompfad in elektrischem Kontakt. Auf diese Weise kann das exotherm reaktive Material des Abstandshalters im Fehlerfall, also bei ungewöhnlich starkem Stromfluss oder ungewöhnlich starker Hitzeentwicklung, zünden und somit den Abstandshalter schmelzen und/oder erweichen und/oder, zumindest teilweise, zersetzen.Short circuiters and additional housing can be eliminated according to the invention, which leads to considerable cost savings. By reducing these components or materials, the reliability, in particular the reliability, of the power module according to the invention is increased. Preferably, in the case of the power module according to the invention, the spacer, at least a part of the spacer, is in electrical contact with the power component in thermal contact and / or with the fault current path. In this way, the exothermic reactive material of the spacer in the event of a fault, so at unusually high current flow or unusually high heat, ignite and thus melt the spacer and / or soften and / or, at least partially, decompose.

Der Abstandshalter wirkt im Normalfall vorteilhaft einer Kraftbeaufschlagung auf das Leistungsbauteil entgegen, sodass dieses im Normalbetrieb entlastet ist.In the normal case, the spacer advantageously counteracts the application of force to the power component, so that it is relieved during normal operation.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter Teil des Fehlerstrompfads. In dieser Weiterbildung der Erfindung erweicht der Abstandshalter bei beginnender Bestromung des Fehlerstrompfads besonders rasch, sodass erster und zweiter Schaltkontakt miteinander in Kontakt treten können und eine vorzugsweise Bestromung des Fehlerstrompfads leicht sichergestellt werden kann.Preferably, in the power module according to the invention, the spacer is part of the fault current path. In this development of the invention, the spacer softens particularly rapidly when current is applied to the fault current path, so that the first and second switching contact can come into contact with each other and a preferably energization of the fault current paths can be easily ensured.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls weist der Abstandshalter einen mit exotherm reaktivem Material gebildeten Zündpfad auf, welcher in thermischem Kontakt mit dem Leistungsbauteil steht und/oder an dem Leistungsbauteil angeordnet ist. Auf dieser Weise kann der Fehlerfall sehr rasch bei einer ungewöhlich starken Erwärmung des Leistungsmoduls ausgelöst werden, indem der Zündpfad am thermischen Kontakt zündet. Aufgrund des exotherm reaktiven Materials zündet das reaktive Mtaerial des Abstandshalters vollständig.In an advantageous development of the power module according to the invention, the spacer has an ignition path formed with exothermic reactive material, which is in thermal contact with the power component and / or is arranged on the power component. In this way, the error case can be triggered very quickly in an unusually strong heating of the power module by the ignition ignites the thermal contact. Due to the exothermic reactive material ignites the reactive Mtaerial of the spacer completely.

Vorzugsweise führt das reaktive Material, insbesondere in der Art einer Zündschnur, vom Leistungsbauteil zum Abstandshalter. Vorteilhaft lassen sich so mehrere Leistungsbauteile mit einem einzigen Abstandshalter oder mit einer geringen Anzahl von Abstandhaltern, verbinden. Auf diese Weise kann der Conduct-on-Fail-Fall für eine Vielzahl von Leistungsbauteilen zugleich gewährleistet werden. Insbesondere ist auch in diesem Falle lediglich eine geringe Anzahl von Abstandshaltern zur Realisierung der Conduct-on-Fail-Lösung erforderlich.The reactive material, in particular in the manner of a fuse, preferably leads from the power component to the spacer. Advantageously, several power components can thus be connected with a single spacer or with a small number of spacers. In this way, the conduct-on-fail case for a variety of power components can be guaranteed at the same time. In particular, only a small number of spacers for realizing the conduct-on-fail solution is required in this case.

Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das zumindest eine Leistungsbauteil an einen Betriebsstrompfad angebunden, welcher eine Überstromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, aufweist.In the power module according to the invention, the at least one power component is particularly preferably connected to an operating current path, which has an overcurrent protection, in particular a safety fuse.

In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls lässt sich ein Conduct-On-Fail-Fall besonders zuverlässig erreichen, wenn der im Normalbetrieb vorgesehene, bestehende Betriebsstrompfad mittels der Überstromsicherung versagt, sodass der fließende Strom dann auf den Fehlerstrompfad überspringen muss. Zweckmäßig weist dazu der im Normalbetrieb vorgesehene Betriebsstrompfad dünne Leiterquerschnitte als Überstromsicherung auf, insbesondere zumindest eine dünne planare Leitungsverbindung und/oder zumindest einen Bond und/oder zumindest einen Bonddraht.In this development of the power module according to the invention, a conduct-on-fail case can be achieved particularly reliably if the existing operating current path provided in normal operation fails by means of the overcurrent protection, so that the flowing current then has to jump over to the fault current path. For this purpose, the operating current path provided in normal operation expediently has thin conductor cross sections as overcurrent protection, in particular at least one thin planar line connection and / or at least one bond and / or at least one bonding wire.

Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das exotherm reaktive Material mit nanogeschichteten Materialen gebildet, insbesondere mit aufeinanderfolgend wechselnden Schichten, und/oder mit einem Sprengstoff und/oder mit zumindest einem Treib- und/oder Schießstoff und/oder mit zumindest einem Zündmittel und/oder pyrotechnischen Erzeugnis gebildet.Conveniently, in the power module according to the invention the exothermic reactive material is formed with nano-coated materials, in particular with successively alternating layers, and / or with an explosive and / or with at least one blowing and / or shooting material and / or with at least one ignition and / or pyrotechnic Produce made.

Vorzugsweise ist das reaktive Material mit nanogeschichteten Materialien mit aufeinanderfolgend wechselnden Schichten von Ni und Al und/oder von NiV und Al und/oder von Ti und B, und/oder von Ti und C und/oder von Ti und Si und/oder von Ti und Ni und/oder von Ti und Al und/oder von Zr und Al und/oder von Pd und Al und/oder von Pt und Al und/oder von sonstigen welchselnden Materialfolgen gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das reaktive Material mit einem Sprengstoff mit thermodynamisch wenig stabilen Verbindungen, vorzugsweise mit Nitrogruppen, insbesondere Nitroglycerin, gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich weist das reaktive Material Treib- und/oder Schießstoff in Form von Schwarzpulver und/oder Schießpulver und/oder Treibladungspulver auf.Preferably, the reactive material is nano-coated materials having successively alternating layers of Ni and Al and / or NiV and Al and / or Ti and B, and / or Ti and C and / or Ti and Si and / or Ti and Ni and / or Ti and Al and / or Zr and Al and / or Pd and Al and / or Pt and Al and / or other alternating material sequences. Alternatively or additionally, the reactive material may be formed with an explosive having thermodynamically less stable compounds, preferably nitro groups, in particular nitroglycerin. Alternatively or additionally, the reactive material comprises propellant and / or gunpowder in the form of black powder and / or gunpowder and / or propellant charge powder.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul sind in einer bevorzugten Weiterbildung erster und zweiter Schaltkontakt mittels eines Federelements aufeinander zu kraftbeaufschlagt.In the case of the power module according to the invention, in a preferred embodiment, the first and second switching contacts are subjected to force applied to one another by means of a spring element.

Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der erste Schaltkontakt mittels einer Durchstechanordnung gebildet und es sind erster und zweiter Schaltkontakt mittels einer solchen Isolierschicht voneinander elektrisch isoliert, welche mittels der Durchstechanordnung durchstechbar ist. Auf diese Weise ist der Fehlerstrompfad im Normalbetrieb besonders durchschlagfest. Zugleich kann mittels der Durchstechanordnung ein Conduct-on-Fail-Fall im Fehlerfall leicht realisiert werden.In the power module according to the invention, the first switching contact is particularly preferably formed by means of a piercing arrangement, and the first and second switching contacts are electrically insulated from one another by means of such an insulating layer, which can be pierced by means of the piercing arrangement. In this way, the fault current path in normal operation is particularly resistant to breakdown. At the same time, by means of the piercing arrangement, a conduct-on-fail case can easily be realized in the event of an error.

Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der zumindest eine Abstandshalter mit einem oder mehreren schmelzbaren und/oder erweichbaren elektrisch leitfähigen Material(ien), insbesondere mit einem oder mehreren Loten und/oder einem oder mehreren Metallen und/oder exotherm reaktivem Material gebildet.The at least one spacer is expediently formed with one or more fusible and / or softenable electrically conductive materials, in particular with one or more solders and / or one or more metals and / or exothermically reactive material.

Alternativ kann der zumindest eine Abstandshalter lediglich mit dem reaktiven Material gebildet sein, wobei dieses reaktive Material in dieser Weiterbildung der Erfindung entweder selbst nach reaktiver Zündung elektrisch leitfähig ist und/oder die mittels des Abstandshalters beabstandeten Elemente, insbesondere Kupfer im Falle eines mit Kupfer gebildeten Druckstempels, miteinander verschmelzen lässt.Alternatively, the at least one spacer can be formed only with the reactive material, wherein this reactive material in this embodiment of the invention is electrically conductive even after reactive ignition and / or spaced by means of the spacer elements, in particular copper in the case of a pressure stamp formed with copper , merge together.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist insbesondere mittels eines Federsystems wie aus Druckschrift DE 10 2014 207 928 A1 bekannt oder mittels einer Spannvorrichtung wie aus Druckschrift DE 10 2014 208 174 A1 bekannt realisiert. Der Offenbarungsgehalt dieser beider Druckschriften sei daher ausdrücklich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen.The power module according to the invention is in particular by means of a spring system as from document DE 10 2014 207 928 A1 known or by means of a clamping device as in publication DE 10 2014 208 174 A1 realized realized. The disclosure of these two documents is therefore expressly included in the present patent application.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul schematisch im Querschnitt, 1 a power module according to the invention schematically in cross-section,

2 eine Einzelheit des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls gemäß 1 schematisch im Querschnitt, 2 a detail of the power module according to the invention according to 1 schematically in cross-section,

3 das Leistungsmodul gem. 1 und 2 in einem Fehlerfall schematisch im Querschnitt, 3 the power module acc. 1 and 2 in an error case schematically in cross-section,

4 das Leistungsmodul gem. 1 und 2 nach Schmelzen von Abstandshaltern des Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt, 4 the power module acc. 1 and 2 after melting of spacers of the power module schematically in cross-section,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt, 5 a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section,

6 eine Einzelheit des Leistungsmoduls gem. 5 schematisch im Querschnitt, 6 a detail of the power module acc. 5 schematically in cross-section,

7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt und 7 a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section and

8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt. 8th a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section.

Das in 1 dargestellte Leistungsmodul 10 umfasst ein DCB-Substrat 20 (DCB = engl. „Direct Copper Bonded”) (bestehend aus einem aus Aluminiumnitrid (AlN) gebildeten Flachteil 22, welches an beiden einander abgewandten Flachseiten jeweils mit einer Kupferschicht 24, 26 beschichtet ist) mit einem Halbleiterchip 30. Der Halbleiterchip 30 ist mittels planarer Verbindungstechnik in Gestalt einer planaren Kupferleiterbahn 40 emitterseitig elektrisch angebunden.This in 1 illustrated power module 10 includes a DCB substrate 20 (DCB = "Direct Copper Bonded") (consisting of a flat part formed of aluminum nitride (AlN) 22 , which on both opposite flat sides each with a copper layer 24 . 26 coated) with a semiconductor chip 30 , The semiconductor chip 30 is by means of planar connection technology in the form of a planar copper conductor track 40 electrically connected on the emitter side.

Die Kupferleiterbahn 40 kontaktiert den Halbleiterchip 30 an einen Lastanschluss (hier lediglich symbolisiert mittels der Richtung R) an und ist Teil eines Betriebsstrompfads für den Betriebsstrom im Normalbetrieb.The copper track 40 contacts the semiconductor chip 30 to a load terminal (here only symbolized by the direction R) and is part of an operating current path for the operating current in normal operation.

Oberhalb der Kupferleiterbahn 40 umfasst das Leistungsmodul 10 einen Druckstempel 50, welcher mittels einer Druckfeder 60 in Richtung auf die Kupferleiterbahn 40 und den Halbleiterchip 30 kraftbeaufschlagt ist. Der Druckstempel 50 ist in seinem Abstand zur Kupferleiterbahn 40 und zum Halbleiterchip 30 mittels eines Abstandshalters 70 fixiert, welcher den um seine Bewegungsrichtung zylindersymmetrischen Druckstempel 50 vollumfänglich in der Art eines Kreisrings umgibt und in einer Druckstempelführung 80 relativ zu dieser festlegt. Die Druckfeder 60 stützt sich an einem Teil der Druckstempelführung 80 ab. Der Abstandshalter 70 ist als Lotmaterial 85 mit einer innenliegenden Schicht 90 exotherm reaktiven Materials ausgebildet und legt den Druckstempel 50 mit der Druckstempelführung 80 im Normalbetrieb fest. Somit spannt die Druckfeder 60 zusammenwirkend mit dem Abstandshalter 70 den Druckstempel 50 vor. Das reaktive Material ist mit einem der in der vorhergehenden Beschreibung genannten exotherm reaktiven Materialien, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Schwarzpulver oder einem Sprengstoff, gebildet.Above the copper track 40 includes the power module 10 a printing stamp 50 , which by means of a compression spring 60 towards the copper track 40 and the semiconductor chip 30 is charged with force. The printing stamp 50 is in its distance to the copper track 40 and to the semiconductor chip 30 by means of a spacer 70 fixed, which is the cylindrically symmetric around its movement pressure stamp 50 surrounds completely in the manner of a circular ring and in a pressure punch guide 80 relative to this determines. The compression spring 60 relies on a part of the pressure punch guide 80 from. The spacer 70 is as a solder material 85 formed with an inner layer 90 of exothermic reactive material and sets the plunger 50 with the pressure punch guide 80 in normal operation. Thus, the compression spring tensioned 60 interacting with the spacer 70 the plunger 50 in front. The reactive material is formed with one of the exothermic reactive materials mentioned in the preceding description, in the illustrated embodiment with black powder or an explosive.

Der Druckstempel 50 bildet mit der Kupferleiterbahn 40 einen Luftspalt 72 aus, sodass ein Stromfluss von der Kupferleiterbahn 40 in den Druckstempel 50 im Normalbetrieb verhindert ist.The printing stamp 50 forms with the copper conductor track 40 an air gap 72 out, allowing a current flow from the copper track 40 in the printing stamp 50 prevented in normal operation.

Im Fehlerfall kann aufgrund eines Defekts 75 des Halbleiterchips 30 die Sperrspannung nicht mehr aufrechterhalten werden, sodass sich ein in der Zeichnung nicht gezeigter Kondensator über den Halbleiterchip 30 vollständig entlädt und folglich der Halbleiterchip 30 schmilzt oder verdampft. Dies verursacht ein komplettes Schmelzen oder sogar Verdampfen der planaren Kupferleiterbahn 40. Im dargestellten Ausführungsbeispiel schmilzt die Kupferleiterbahn 40 an einer Stelle 82 vollständig auf (3), sodass der Strom über die Kupferleiterbahn 40 nicht mehr abfließen kann. Ein dünner Leiterquerschnitt der Kupferleiterbahn 40 fungiert also als Schmelzsicherung des Betriebsstrompfades. Im dargestellten Ausführungsbeispiel evaporiert der Halbleiterchip 30 nicht, sondern bleibt in teils geschmolzener Gestalt erhalten.In case of error, due to a defect 75 of the semiconductor chip 30 the blocking voltage can not be maintained, so that a not shown in the drawing capacitor on the semiconductor chip 30 completely discharges and therefore the semiconductor chip 30 melts or evaporates. This causes complete melting or even evaporation of the planar copper trace 40 , In the illustrated embodiment, the copper interconnect melts 40 at one point 82 completely on ( 3 ), so the electricity over the copper track 40 can not drain anymore. A thin conductor cross-section of the copper conductor 40 So acts as a fuse of the operating current path. In the illustrated embodiment, the semiconductor chip evaporates 30 not, but remains preserved in a partly molten form.

Aufgrund des Aufschmelzens der Kupferleiterbahn 40 ist diese Kupferleiterbahn 40 unterbrochen und es bildet sich ein neuer Stromfluss in Gestalt eines Plasmastromflusses 87 aus, welcher den Luftspalt 72 in den Druckstempel 50 hinein überwindet (s. insbesondere 3). Der Strom 89 passiert den Druckstempel 50 und fließt über den Abstandshalter 70 in die Druckstempelführung 80 in Richtung R' eines Lastanschlusses ab.Due to the melting of the copper track 40 is this copper track 40 interrupted and it forms a new current flow in the form of a plasma flow 87 out, which the air gap 72 in the printing stamp 50 overcomes (see in particular 3 ). The current 89 happens the plunger 50 and flows over the spacer 70 in the pressure punch guide 80 in the direction of R 'of a load connection.

Infolge des Stromflusses über den Abstandshalter 70 zündet das reaktive Material des Abstandshalters 70 (entweder infolge des hohen Stromflusses oder infolge der raschen Hitzeentwicklung aufgrund des ohmschen Widerstandes) und zersetzt dieses mittels einer exothermen Reaktion vollständig. Daher schmilzt auch das Lotmaterial des Abstandshalters 70, sodass sich die mittels Drucks vorgespannte Druckfeder 60 entspannt.As a result of the flow of current across the spacer 70 ignites the reactive material of the spacer 70 (either due to the high current flow or due to the rapid heat development due to the ohmic resistance) and decomposes this completely by means of an exothermic reaction. Therefore, the solder material of the spacer also melts 70 , so that the pressure-biased compression spring 60 relaxed.

Folglich presst die Druckfeder 60 den Druckstempel 50 auf das DCB-Substrat 20 sowie den – im dargestellten Ausführungsbeispiel noch vorhandenen – Halbleiterchip 30 hin. Unter Druck- und Temperatureinfluss kann der Druckstempel 50 durchlegieren, sodass ein neuer dauerhaft stabiler Stromfluss 100 in Richtung R' zu einem Lastanschluss (nicht dargestellt) über einen massiven elektrischen Leiter sichergestellt ist. Der Stromfluss 100 folgt nunmehr einem Fehlerstrompfad, welche mit dem Druckstempel 50 und der Druckstempelführung 80 gebildet ist. Consequently, the compression spring presses 60 the plunger 50 on the DCB substrate 20 as well as - still present in the illustrated embodiment - semiconductor chip 30 out. Under pressure and temperature influence, the plunger 50 permeate, so that a new permanently stable current flow 100 in the direction of R 'to a load terminal (not shown) via a solid electrical conductor is ensured. The current flow 100 now follows a fault current path, which with the plunger 50 and the pressure stamp guide 80 is formed.

Das in 5 dargestellte erfindungsgemäße Leistungsmodul 10' ist ähnlich dem vorhergehend beschriebenen erfindungssgemäßen Leistungsmodul 10 aufgebaut und weicht in folgenden Merkmalen von dem vorhergehend beschriebenen Leistungsmodul ab:
Anstelle des Luftspalts 72 befindet sich im in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Druckstempel 50 und Kupferleiterbahn 40 ein leitfähiges weiches Material, etwa ein Metallschwamm, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kupferschwamm 110. Auf diese Weise wird der Strom im Fehlerfall besonders effizient von der Kupferleiterbahn 40 über den Kupferschwamm 110 in den Druckstempel 50 geleitet. Um jedoch eine Zündung des reaktiven Materials 90 des Abstandshalters 70 zu verhindern ist das reaktive Material vom Druckstempel 50 mittels einer dünnen Isolierschicht 120 elektrisch isoliert. Die Isolierschicht 120 ist oberflächlich auf den Druckstempel 50 in einem dem Abstandshalter 70 nahen Bereich aufgebracht (6). Die Isolierschicht 120 unterbricht eine elektrische Leitfähigkeit zwischen Druckstempel 50 und Druckstempelführung 80, also eine durchgängige Leitfähigkeit des Fehlerstrompfades, im Normalbetrieb, sodass im Normalbetrieb das reaktive Material 90 des Abstandshalters 70 nicht zündet.This in 5 illustrated power module according to the invention 10 ' is similar to the previously described inventive power module 10 and differs from the previously described power module in the following features:
Instead of the air gap 72 is located in 5 illustrated embodiment between plunger 50 and copper track 40 a conductive soft material, such as a metal sponge, in the illustrated embodiment, a copper sponge 110 , In this way, the current in the event of a fault is particularly efficient from the copper track 40 over the copper sponge 110 in the printing stamp 50 directed. However, to ignite the reactive material 90 of the spacer 70 To prevent is the reactive material from the plunger 50 by means of a thin insulating layer 120 electrically isolated. The insulating layer 120 is superficial on the plunger 50 in a spacer 70 applied near area ( 6 ). The insulating layer 120 interrupts electrical conductivity between plunger 50 and pressure punch guide 80 , So a continuous conductivity of the fault current path, in normal operation, so that in normal operation, the reactive material 90 of the spacer 70 does not ignite.

In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, ist das exotherm reaktive Material ein reaktives Material, welches erst oberhalb der bei Normalbetrieb vorherrschenden Bedingungen zündet, nämlich erst oberhalb eines Stromflusses von 50 A. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 120 sogar verzichtbar.In a further, not specifically illustrated embodiment, which otherwise corresponds to the embodiment described above, the exothermic reactive material is a reactive material which ignites only above the prevailing conditions under normal operation, namely only above a current flow of 50 A. In this embodiment the insulating layer 120 even dispensable.

Das in 7 dargestellte erfindungsgemäße Leistungsmodul 10'' ist ähnlich dem vorhergehend beschriebenen erfindungsgemäßen Leistungsmodul 10 aufgebaut und weicht in folgenden Merkmalen von dem vorhergehend beschriebenen Leistungsmodul ab: Im Gegensatz zum Leistungsmodul 10 sind bei dem Leistungsmodul 10'' der 7 der Druckstempel 50, die Druckfeder 60 und die Druckstempelführung 80 nicht oberhalb der Kupferleiterbahn 40 und dem Halbleiterchip 30 angeordnet, sondern in einer Haupterstreckungsrichtung des DCB-Substrats 20 vom Halbleiterchip 30 beabstandet. Das reaktive Material 90, 90'' beschränkt sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht allein auf eine in Lotmaterial 85 eingebrachte innenliegende Schicht 90, sondern das reaktive Material 90'' ist zudem aus dem Abstandshalter 70'' durch einen Kanal der Druckstempelführung 80 herausgeführt und in Richtung einer Haupterstreckungsrichtung des DCB-Substrats 20 an der Haupterstreckungsrichtung der Kupferleiterbahn 40 entlang und mittels eines Luftspalts 72'' von dieser Kupferleiterbahn 40 und dem Halbleiterchip 30 beabstandet geführt. Der Abstand zwischen reaktivem Material 90'' und Kupferleiterbahn 40 ist derart gering gewählt, dass im Fehlerfall das reaktive Material 90'' zündet. Infolge der Zündung des reaktiven Materials 90'' wird schließlich die in Lotmaterial 85 eingebrachte innenliegende Schicht reaktiven Materials 90 gezündet und somit schließlich der Abstandshalter 70'' zwischen Druckstempel 50 und Druckstempelführung 80 zersetzt. Folglich wird der Druckstempel 50 auf das DCB-Substrat 20 gedrückt und stellt dort einen elektrischen Leitungskontakt her. Der im Normalbetrieb zwischen Druckstempel 50 und DCB-Substrat 20 bestehende Abstand ist hinreichend hoch, dass der durch diesen Abstand gebildete Luftspalt 130 eine hinreichend hohe Durchschlagfestigkeit im Normalbetrieb aufweist.This in 7 illustrated power module according to the invention 10 ' 'is similar to the previously described power module according to the invention 10 and deviates from the power module described above in the following features: in contrast to the power module 10 are at the power module 10 '' of the 7 the plunger 50 , the compression spring 60 and the pressure punch guide 80 not above the copper track 40 and the semiconductor chip 30 but arranged in a main direction of extension of the DCB substrate 20 from the semiconductor chip 30 spaced. The reactive material 90 . 90 '' is limited in this embodiment not only one in solder 85 introduced inner layer 90 but the reactive material 90 '' is also from the spacer 70 '' through a channel of the pressure punch guide 80 led out and in the direction of a main extension direction of the DCB substrate 20 in the main extension direction of the copper conductor track 40 along and by means of an air gap 72 '' from this copper track 40 and the semiconductor chip 30 spaced out. The distance between reactive material 90 '' and copper track 40 is chosen so small that in case of failure, the reactive material 90 '' ignites. As a result of ignition of reactive material 90 '' will eventually be the one in solder 85 introduced inner layer of reactive material 90 ignited and thus finally the spacer 70 '' between plunger 50 and pressure punch guide 80 decomposed. Consequently, the plunger becomes 50 on the DCB substrate 20 pressed and establishes an electrical line contact. In normal operation between plunger 50 and DCB substrate 20 existing distance is sufficiently high that the air gap formed by this distance 130 has a sufficiently high dielectric strength in normal operation.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Leistungsmodul 10''' gleicht dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul 10'', wie es zuvor beschrieben ist. Im Unterschied zum Leistungsmodul 10'' weist der Druckstempel 50 an seiner dem DCB-Substrat 20 zugewandten Seite keine Flachseite, sondern eine kegelförmige Spitze 140 auf, welche das DCB-Substrat 20 im Fehlerfall kontaktiert. Dazu ist das DCB-Substrat 20 entlang desjenigen Flächenabschnitts, auf welchen der Druckstempel 50 mittels der Druckfeder 60 hin kraftbeaufschlagt ist, mit einer Isolierschicht 150 oberflächlich beschichtet, die hinreichend weich ausgebildet ist, dass die Isolierschicht 150 von der Spitze 140 durchdrungen werden kann. Somit gewährleistet die Isolierschicht 150 in diesem Ausführungsbeispiel eine hinreichende Durchschlagfestigkeit, während die Spitze 140 im Fehlerfall den Leitungskontakt mit dem DCB-Substrat 20 herstellen kann, sodass der Fehlerstrompfad bestromt wird.Another inventive power module 10 ''' is similar to the power module according to the invention 10 '' as described above. Unlike the power module 10 '' indicates the plunger 50 at its the DCB substrate 20 facing side no flat side, but a conical tip 140 on which the DCB substrate 20 contacted in case of error. This is the DCB substrate 20 along the surface portion on which the plunger 50 by means of the compression spring 60 is subjected to force, with an insulating layer 150 superficially coated, which is sufficiently soft that the insulating layer 150 from the top 140 can be penetrated. Thus, the insulating layer ensures 150 in this embodiment, a sufficient dielectric strength, while the tip 140 in the event of a fault, the line contact with the DCB substrate 20 so that the fault current path is energized.

Soweit in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen von planarer Verbindungstechnik die Rede ist, kann die jeweilige Verbindungstechnik in weiteren, nicht eigens beschriebenen Ausführungsbeispielen alternativ oder zusätzlich mittels Bonddrähten realisiert sein.As far as in the previously described embodiments of planar connection technology is mentioned, the respective connection technology in other not specifically described embodiments may alternatively or additionally be realized by means of bonding wires.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014207928 A1 [0024] DE 102014207928 A1 [0024]
  • DE 102014208174 A1 [0024] DE 102014208174 A1 [0024]

Claims (11)

Leistungsmodul (10, 10' 10'', 10''') mit zumindest einem Leistungsbauteil (30) sowie mit einem Fehlerstrompfad (50, 80, R'), welcher zumindest einen ersten (50) und einen zweiten Schaltkontakt (20, 30, 40), die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, aufweist, wobei das Leistungsmodul (30) zumindest einen Abstandshalter (70, 70'') aufweist, der ersten (50) und zweiten Schaltkontakt (20, 30, 40) voneinander beabstandet, wobei der zumindest eine Abstandhalter zumindest mittels eines exotherm reaktiven Materials (90, 90'') gebildet ist.Power module ( 10 . 10 ' 10 '' . 10 ''' ) with at least one power component ( 30 ) as well as with a fault current path ( 50 . 80 , R '), which at least a first ( 50 ) and a second switching contact ( 20 . 30 . 40 ), which are urged towards each other, wherein the power module ( 30 ) at least one spacer ( 70 . 70 '' ), the first ( 50 ) and second switching contact ( 20 . 30 . 40 ) spaced apart, wherein the at least one spacer at least by means of an exothermic reactive material ( 90 . 90 '' ) is formed. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Leistungsbauteil (30) den zweiten Schaltkontakt (30) aufweist oder leitend mit dem zweiten Schaltkontakt (20, 40) verbunden ist.Power module according to the preceding claim, in which the power component ( 30 ) the second switching contact ( 30 ) or conductive with the second switching contact ( 20 . 40 ) connected is. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der zumindest eine Abstandshalter (70, 70'') mit dem Leistungsbauteil (30) in thermischem Kontakt und/oder mit dem Fehlerstrompfad (50, 80) in elektrischem oder thermischen Kontakt steht.Power module according to the preceding claim, in which the at least one spacer ( 70 . 70 '' ) with the power component ( 30 ) in thermal contact and / or with the fault current path ( 50 . 80 ) is in electrical or thermal contact. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Abstandshalter (70, 70''), zumindest zum Teil, Teil des Fehlerstrompfads (50, 70, 80; 50, 70'', 80) ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the spacer ( 70 . 70 '' ), at least in part, part of the fault current path ( 50 . 70 . 80 ; 50 . 70 '' . 80 ). Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Abstandshalter (70'') einen mit exotherm reaktivem Material gebildeten Zündpfad aufweist, welcher in thermischem Kontakt mit dem Leistungsbauteil (30) steht und/oder an dem Leistungsbauteil (30) angeordnet ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the spacer ( 70 '' ) has an ignition path formed with exothermic reactive material, which in thermal contact with the power device ( 30 ) and / or on the power component ( 30 ) is arranged. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das zumindest eine Leistungsbauteil (30) an einen Betriebsstrompfad (30, 40, R) angebunden ist, welcher eine Überstromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung (40), aufweist.Power module according to one of the preceding claims, in which the at least one power component ( 30 ) to an operating current path ( 30 . 40 , R), which is an overcurrent fuse, in particular a fuse ( 40 ), having. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Überstromsicherung mittels zumindest eines Bonddrahts und/oder mittels einer planaren Leitungsverbindung (40) gebildet ist.Power module according to the preceding claim, in which the overcurrent protection by means of at least one bonding wire and / or by means of a planar line connection ( 40 ) is formed. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das exotherm reaktive Material (90, 90'') mit nanogeschichteten Materialen gebildet, insbesondere mit aufeinanderfolgend wechselnden Schichten und/oder mit einem Sprengstoff und/oder mit zumindest einem Treibstoff und/oder Schießstoff und/oder mit zumindest einem Zündmittel und/oder pyrotechnischen Erzeugnis gebildet ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the exothermic reactive material ( 90 . 90 '' ) formed with nano-coated materials, in particular with successively alternating layers and / or with an explosive and / or with at least one fuel and / or shooting substance and / or with at least one ignition and / or pyrotechnic product is formed. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erster (50) und zweiter Schaltkontakt (20, 30, 40) mittels eines Federelements (60) aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind.Power module according to one of the preceding claims, wherein the first ( 50 ) and second switching contact ( 20 . 30 . 40 ) by means of a spring element ( 60 ) are subjected to force to each other. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der erste Schaltkontakt (50) mit einer Durchstechanordnung (140) gebildet ist und erster (50) und zweiter Schaltkontakt (20) mit einer Isolierschicht (150) voneinander elektrisch isoliert sind, welche mittels der Durchstechanordnung (140) durchstechbar ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the first switching contact ( 50 ) with a piercing arrangement ( 140 ) and first ( 50 ) and second switching contact ( 20 ) with an insulating layer ( 150 ) are electrically insulated from each other, which by means of the piercing arrangement ( 140 ) is pierceable. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zumindest eine Abstandshalter (70, 70'') mit einem oder mehreren schmelzbaren und/oder erweichbarem/n elektrisch leitfähigen Material(ien), insbesondere mit einem oder mehreren Loten (85) und/oder einem oder mehreren Metallen und/oder exotherm reaktivem Material (90, 90'') gebildet ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the at least one spacer ( 70 . 70 '' ) with one or more fusible and / or softenable / electrically conductive material (s), in particular with one or more solders ( 85 ) and / or one or more metals and / or exothermic reactive material ( 90 . 90 '' ) is formed.
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