DE102016113152A1 - Leistungselektronische Schalteinrichtung und Leistungshalbleitermodul hiermit - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Schalteinrichtung und ein Leistungshalbleitermodul vorgestellt, ausgebildet mit einem Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und mit einer Lastanschlusseinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei die Lastanschlusseinrichtung, vorzugsweise diejenige eines Wechselstrompotentials, mindestens zwei Teilanschlusseinrichtungen aufweist, die zueinander korrespondierend Kontaktflächen aufweisen und kraft- oder stoffschlüssig sowie an den Kontaktflächen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei eine erste Teilanschlusseinrichtung eine erste Kontakteinrichtung aufweist, die kraft- oder stoffschlüssig mit der Leiterbahn des Substrats verbunden ist und wobei eine zweite Teilanschlusseinrichtung eine zweite Kontakteinrichtung aufweist zum weiteren, vorzugsweise externen, Anschluss einer Lastverbindungseinrichtung.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schalteinrichtung, mit mindestens einem Substrat, mindestens einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und mit einer Lastanschlusseinrichtung zur weiteren, insbesondere externen Verbindung eines Leistungshalbleitermoduls mit dieser Schalteinrichtung.
  • Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik ist es bekannt Leistungshalbleitermodule mit mindestens einem Substrat auszubilden. Hierauf sind Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und intern, beispielhaft mittels Drahtbondverbindungen schaltungsgerecht verbunden. Zur externen Verbindung weisen derartige Leistungshalbleitermodule eine Mehrzahl von Lastanaschlusseinrichtungen auf, die fachüblich als flächige metallische Formkörper ausgebildet sind und mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden sind. Weiterhin weisen diese Lastanschlusseinrichtungen eine Kontakteinrichtung zum externen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls auf.
  • Nachteilig ist hierbei, dass häufig die Materialanforderungen, insbesondere an die Härte, an das jeweilige Lastanschlusselement zur Kontaktierung mit dem Substrat andere sind als diejenigen zur externen Verbindung. Beispielhaft sollte für eine Schweißverbindung des Lastanschlusselements mit dem Substrat, ein Material geringerer Härte verwendet werden als dies für einen externen Anschluss, der häufig als Schraubverbindung ausgebildet ist, sinnvoll ist.
  • In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine leistungselektronische Schalteinrichtung und ein Leistungshalbleitermodul hiermit vorzustellen, die jeweils eine Lastanschlusseinrichtung aufweisen, die optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße leistungselektronische Schalteinrichtung ist ausgebildet mit einem Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und mit einer Lastanschlusseinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei die Lastanschlusseinrichtung, vorzugsweise diejenige eines Wechselstrompotentials, mindestens zwei Teilanschlusseinrichtungen aufweist, die zueinander korrespondierend Kontaktflächen aufweisen und kraft- oder stoffschlüssig, sowie an den Kontaktflächen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei eine erste Teilanschlusseinrichtung eine erste Kontakteinrichtung aufweist, die kraft- oder stoffschlüssig mit der Leiterbahn des Substrats verbunden ist und wobei eine zweite Teilanschlusseinrichtung eine zweite Kontakteinrichtung aufweist zum weiteren, vorzugsweise externen, Anschluss einer Lastverbindungseinrichtung.
  • Bevorzugt ist es, wenn mindestens eine der stoffschlüssigen Verbindungen als vorzugsweise fachübliche Klebe-, Löt-, Sinter- oder Schweißverbindung ausgebildet ist, wobei unter Schweißverbindungen auch Laserschweißverbindungen und laserunterstützte Schweißverbindungen verstanden werden sollen. Insbesondere hierbei ist es vorteilhaft, wenn diejenige Oberfläche die mit Laserstrahlung beaufschlagt wird eine Rauigkeit aufweist, die zu einer Absorption von mindestens 10%, insbesondere von mindestens 25% der Laserstrahlung führt.
  • Ebenso ist es bevorzugt, wenn mindestens eine der kraftschlüssigen Verbindungen als vorzugsweise fachübliche Durchsetzfüge-, Niet-, Klemm- oder Schraubverbindung ausgebildet ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Teilanschlusseinrichtung eine Härte aufweist, die um mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, aber vorzugsweise nicht mehr als 25, Vickers-Härtegrade geringer ist als die Härte der zweiten Teilanschlusseinrichtung. Hierbei wird die Messung der Vickershärte mittels des Standardverfahren zur ihrer Bestimmung verstanden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erste Teilanschlusseinrichtung eine Härte von 30HV bis 60HV aufweist und die zweite Teilanschlusseinrichtung eine Härte von 50HV bis 90HV aufweist.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die erste oder zweite oder beide Teilanschlusseinrichtungen aus Kupfer oder aus Aluminium, oder aus einer Legierung hauptsächlich, d.h. zu mehr als 80 Masseprozent, bestehend aus einem der beiden Metalle ausgebildet sind.
  • Weiterhin kann die erste oder zweite oder beide Teilanschlusseinrichtungen, vorzugsweise schlitzartige, Ausnehmungen zur gezielten Stromführung oder Stromsymmetrierung, insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Substrate, aufweisen.
  • Erfindungsgemäß ausgebildet ist das Leistungshalbleitermodul mit einer o.g. elektronischen Schalteinrichtung und mit einem Gehäuse, wobei die zweite Teilanschlusseinrichtung durch eine Ausnehmung des Gehäuses aus diesem herausragt und dort die zweite Kontakteinrichtung angeordnet ist.
  • Einerseits kann es bevorzugt sein, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Grundplatte aufweist, auf der das Substrat angeordnet und von dem Gehäuse umschlossen ist. Andererseits kann es ebenso bevorzugt sein, wenn das Leistungshalbleitermodul zur Anordnung auf einer Kühleinrichtung ausgebildet ist und das Substrat von dem Gehäuse umschlossen ist.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Substrat und das Leistungshalbleiterbauelement wie auch die Lastanschlusseinrichtung, mehrfach in der jeweiligen leistungselektronischen Schalteinrichtung oder dem Leistungshalbleitermodul vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen.
  • Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, unabhängig ob sie im Rahmen der leistungselektronischen Schalteinrichtung oder des Leistungshalbleitermoduls genannt sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele.
  • 1 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht eine Lastanschlusseinrichtung einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung.
  • 2 zeigt in Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung und ihre Anordnung auf einer Kühleinrichtung.
  • 3 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
  • 4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
  • 1 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht eine Lastanschlusseinrichtung 3 einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung. Diese Lastanschlusseinrichtung 3 besteht hier aus zwei Teilanschlusseinrichtungen 30, 40, wobei die erste Teilanschlusseinrichtung 30, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, hier drei erste Kontakteinrichtungen 36 zur elektrisch leitenden Verbindung mit einem Substrat aufweist. Auf derartigen Substraten sind Leiterbahnen angeordnet, auf den mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und schaltungsgerecht verbunden ist. Unter einem Kontakt mit dem Substrat wird deshalb auch ein mittelbarer oder unmittelbarer elektrischer Kontakt mit dem Leistungshalbleiterbauelement verstanden. Es kann auch ein direkter Kontakt mit einer Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements sein, ohne dass hierzu ein Kontakt der ersten Kontakteinrichtung mit einer Leiterbahn besteht.
  • Die erste Teilanschlusseinrichtung 30 ist hier ausgebildet als ein in Stanz-Biegetechnik hergestellter und aus Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung bestehender Formkörper, mit einer Materialdicke von 4mm. Das Kupfer der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 weist eine Vickershärte von 50HV auf. Die erste Teilanschlusseinrichtung 30 weist weiterhin eine erst Kontaktfläche 32 zur mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung mit der zweiten Teilanschlusseinrichtung 40 auf.
  • Die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 ist hier ausgebildet als ein in Stanz-Biegetechnik hergestellter und aus Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung bestehender Formkörper, mit einer Materialdicke von 6mm. Das Kupfer der zweiten Teilanschlusseinrichtung 40 weist eine Vickershärte von 65HV auf. Die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 weist weiterhin eine zweite Kontaktfläche 42 zur mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung mit der korrespondierenden ersten Kontaktfläche 32 der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 auf.
  • Zur Verbindung 34, 44 der beiden Teilanschlusseinrichtungen 30, 40 sind hier zwei Varianten gezeigt. Einerseits weist die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 im Flächenbereich der zweiten Kontaktfläche 42 einen Metallzapfen 440 auf, der durch eine zugeordnete Ausnehmung 340 der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 hindurchreicht und somit dazu ausgebildet ist, eine Nietverbindung herzustellen. Andererseits sind in der der ersten und zweiten Teilanschlusseinrichtung 30, 40 ebenfalls im Flächenbereich der Kontaktflächen 32, 42 einander zugeordnete Ausnehmungen 342, 442 angeordnet, die dazu ausgebildet sind eine Schraubverbindung aufzunehmen.
  • Weiterhin weist die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 eine zweite Kontakteinrichtung 46 auf, die zum weiteren Anschluss einer Lastverbindungseinrichtung dient, vgl. 3 und 4. Diese zweite Kontakteinrichtung 46 weist hier zwei durchgehende Ausnehmungen 460 zur Durchführung von Schrauben zur Ausbildung einer Schraubverbindung auf. Diese Ausgestaltung ist für Lastanschlusseinrichtungen von Leistungshalbleitermodulen fachüblich.
  • 2 zeigt in Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung 1 und ihre Anordnung auf einer Kühleinrichtung 7. Die Schalteinrichtung 1 weist hier ein fachübliches, wie oben im Grunde bereits beschriebenes Substrat 2 mit drei Leiterbahnen 20 auf, wobei hier aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Leistungshalbleiterbauelemente und auch keine internen Verbindungseinrichtungen dargestellt sind. In dieser Ausgestaltung ist das Substrat 2, ggf. durch eine wärmeleitende Zwischenschicht getrennt, direkte auf einer Kühleinrichtung 7 angeordnet.
  • Die Lastanschlusseinrichtung 3 besteht wiederum aus zwei Teilanschlusseinrichtungen 30, 40, wobei die erste Teilanschlusseinrichtung 30 drei erste Kontakteinrichtungen 36 zur elektrisch leitenden Verbindung mit den drei Leiterbahnen 20 des Substrats 2 aufweist. Die ersten Kontakteinrichtungen 36 sind mittels einer Schweißverbindung mit den Leiterbahnen 20 stoffschlüssig verbunden. Weiterhin weist die erste Teilanschlusseinrichtung 30 auf ihrer eigentlich nicht sichtbaren Rückseite, zur Erläuterung der Erfindung trotzdem dargestellt, eine erste Kontaktfläche 32 zur elektrisch leitenden Verbindung mit einer korrespondierenden zweiten Kontaktfläche 42 der zweiten Teilanschlusseinrichtung 40 auf.
  • Diese zweite Teilanschlusseinrichtung 40 weist eine Biegekante 462 und einen hieran anschließenden Bereich einer zweiten Kontakteinrichtung 46 mit einer Ausnehmung 460 auf. An dieser Biegekante 462 wird die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 nach der Anordnung in einem Leistungshalbleiterbauelement, vgl. 3 und 4, abgekantet.
  • Die beiden Teilanschlusseinrichtungen 30, 40 sind hier stoffschlüssig mittels einer Laserschweißverbindung 344, 444 im Bereich der korrespondierenden Kontaktflächen 30, 42 miteinander mechanisch verbunden. Diese Kontaktflächen 30, 42 dienen zugleich der elektrisch leitenden Verbindung 34, 44 zwischen den beiden Teilanschlusseinrichtungen 30, 40 und somit dem Stromfluss zwischen den ersten Kontakteinrichtungen 36 der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 und der zweiten Kontakteinrichtung 46 der zweiten Teilanschlusseinrichtung 40.
  • Die erste Teilanschlusseinrichtung 30 weist weiterhin eine T-förmige Ausnehmung 38 hier, aber nicht notwendigerweise zwangsläufig, im Bereich der ersten Kontaktfläche 32 und oberhalb der mittleren ersten Kontakteinrichtung 36 auf. Diese Ausnehmung 38 dient der Stromführung, hier konkret der Verlängerung des Strompfads von der mittleren ersten Kontakteinrichtung 36 zur zweiten Teilanschlusseinrichtung 40. Derartige Schlitze können auch bei unsymmetrischen Ausgestaltungen der ersten Teilanschlusseinrichtung zur Stromsymmetrierung des Strompfades von den einzelnen ersten Kontakteinrichtungen dienen. Diese T-artige Ausnehmung 38 der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 ist eine korrespondierende Ausnehmung 48 der zweiten Teilanschlusseinrichtung 40 zugeordnet, wobei diese Ausnehmungen 38, 48 in beschriebener Weise zusammenwirken und den Strompfad von oder zu der mittleren ersten Kontakteinrichtung bestimmen.
  • 3 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 10 mit, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, drei mittels eine Lotverbindung auf einer Grundplatte 6 angeordneten Substraten 20 und einem ebenfalls auf der Grundplatte 6 angeordnetem und die Substrate 2 umschließenden Gehäuse 5. Weiterhin dargestellt ist eine Lastanschlusseinrichtung 3, bestehend aus zwei Teilanschlusseinrichtungen 30, 40, im Grund ausgebildet wie unter 2 beschrieben, allerdings ohne die schlitzartigen Ausnehmungen zur Stromführung.
  • Die drei ersten Kontakteinrichtungen 36 der ersten Teilanschlusseinrichtung 30 sind hier lottechnisch mit den Leiterbahnen 20 des Substrats 2 verbunden. Die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 ragt durch eine Ausnehmung 50 des Gehäuses 5 durch dieses hindurch nach außen und weist dort ihre zweite Kontakteinrichtung 46 auf, die in dieser Darstellung noch nicht entlang einer Biegekante 462 abgekantet ist.
  • Weiterhin sind, zur Verdeutlichung der Erfindung, die in dieser Ansicht eigentlich nicht sichtbaren korrespondierenden Kontaktflächen 32, 42 der ersten und zweiten Teilanschlusseinrichtung 30, 40 dargestellt. An diesen Kontaktflächen 32, 42 ist wiederum mittels Laserschweißen 344 eine mechanische Verbindung 34 und somit auch ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Teilanschlusseinrichtungen 30, 40 ausgebildet.
  • 4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul 10, das im Wesentlichen demjenigen gemäß 3 entspricht. Unterschiedlich sind hier die Verbindungen zwischen den ersten Kontakteinrichtungen 36 und den Leiterbahnen 20 des Substrats 2, die hier jeweils als Drucksinterverbindungen ausgebildet sind. Die Verbindung 34 der beiden Teilanschlusseinrichtungen 30, 40 ist hier mittels einer Durchsetzfügeverbindung 346 ausgebildet. Die grundsätzliche Funktionalität der jeweiligen Verbindung ist durch ihre Ausgestaltung allerdings nicht verändert.
  • Es handelt sich bei diesem Leistungshalbleitermodul 10 um ein grundplattenloses Modul, bei dem die Substrate 2 fachüblich direkt mittels einer wärmeleitenden dünnen Zwischenschicht auf einer Kühleinrichtung 7 angeordnet und von dem Gehäuse 5 umschlossen sind.
  • Weiterhin ist die zweite Teilanschlusseinrichtung 40 an ihrer in 3 dargestellten Biegekante 462 abgekantet, wodurch die Kontakteinrichtung 46 hier in die Zeichenebenen hinein verläuft.

Claims (10)

  1. Leistungselektronische Schalteinrichtung (1) mit einem Substrat (2), einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und mit einer Lastanschlusseinrichtung (3) wobei das Substrat (2) gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (20) aufweist, wobei die Lastanschlusseinrichtung (3) mindestens zwei Teilanschlusseinrichtungen (30, 40) aufweist, die zueinander korrespondierende Kontaktflächen (32, 42) aufweisen und kraft- oder stoffschlüssig sowie an diesen Kontaktflächen (32, 42) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei eine erste Teilanschlusseinrichtung (30) eine erste Kontakteinrichtung (36) aufweist, die kraft- oder stoffschlüssig mit der Leiterbahn (20) des Substrats (2) verbunden ist und wobei eine zweite Teilanschlusseinrichtung (40) eine zweite Kontakteinrichtung (46) aufweist zum weiteren Anschluss einer Lastverbindungseinrichtung.
  2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der stoffschlüssigen Verbindungen als Klebe-, Löt-, Sinter- oder Schweißverbindung ausgebildet ist.
  3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der kraftschlüssigen Verbindungen als Durchsetzfüge-, Niet-, Klemm- oder Schraubverbindung ausgebildet ist.
  4. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Teilanschlusseinrichtung (30) eine Härte aufweist, die um mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, Vickers-Härtegrade geringer ist als die Härte der zweiten Teilanschlusseinrichtung (40).
  5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Teilanschlusseinrichtung (30) eine Härte von 30HV bis 60HV aufweist und die zweite Teilanschlusseinrichtung (40) eine Härte von 50HV bis 90 HV aufweist.
  6. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste oder zweite oder beide Teilanschlusseinrichtungen (30, 40) aus Kupfer oder aus Aluminium, oder aus einer Legierung hauptsächlich bestehend aus einem der beiden Metalle ausgebildet sind.
  7. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste oder zweite oder beide Teilanschlusseinrichtungen (30, 40), vorzugsweise schlitzartige, Ausnehmungen (38, 48) zur gezielten Stromführung oder Stromsymmetrierung aufweisen.
  8. Leistungshalbleitermodul (10) mit einer elektronischen Schalteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und mit einem Gehäuse (5), wobei die zweite Teilanschlusseinrichtung (40) durch eine Ausnehmung (50) des Gehäuses (5) herausragt und dort die zweite Kontakteinrichtung (46) angeordnet ist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, wobei das Leistungshalbleitermodul (10) eine Grundplatte (6) aufweist, auf der das Substrat (2) angeordnet und von dem Gehäuse (5) umschlossen ist.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, wobei das Leistungshalbleitermodul (10) zur Anordnung auf einer Kühleinrichtung (7) ausgebildet ist und das Substrat (20) von dem Gehäuse (5) umschlossen ist.
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