DE102016119631B4 - Leistungshalbleitermodul mit einem Druckeinleitkörper und Anordnung hiermit - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit einem Druckeinleitkörper und Anordnung hiermit Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit einem Druckeinleitkörper (1), mit einem Schaltungsträger (2), ausgebildet mit einer ersten Leiterbahn (22), einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (3) und einer internen Verbindungseinrichtung (4), mit einem Gehäuse (5) ausgebildet mit einer darin angeordneten Führungseinrichtung (50) und mit einem Anschlusselement (6), wobei das Anschlusselement (6) ausgebildet ist als ein Bolzen mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt (60, 62) und einem dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt (64), wobei der erste Endabschnitt (60) auf dem Schaltungsträger (2) aufliegt und elektrisch leitend damit verbunden ist, und wobei der zweite Endabschnitt (62) durch eine Ausnehmung aus dem Gehäuse (5) herausragt,wobei das Anschlusselement (6) in der zugeordneten Führungseinrichtung (50) angeordnet ist undwobei der Druckeinleitkörper (1) einen ersten, starren Teilkörper (10) und einen zweiten, elastischen Teilkörper (12) aufweist, wobei der zweite Teilkörper (12) in Richtung des Gehäuses (5) aus dem ersten Teilkörper (10) hervorsteht und dazu ausgebildet ist Druck (14) auf eine Leitplatte (7) auszuüben, wenn diese Leiterplatte (7) zwischen dem Druckeinleitkörper (1) und dem Gehäuse (5) samt Anschlusselement (6) und damit auch zwischen dem zweiten Teilkörper (12) und dem zweiten Endabschnitt (62) des Anschlusselements (6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Druckeinleitkörper, mit einem Schaltungsträger, der ausgebildet ist mit einer ersten Leiterbahn, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und mit einer internen Verbindungseinrichtung. Das Leistungshalbleitermodul weist weiterhin ein Gehäuse mit einer darin angeordneten Führungseinrichtung insbesondere für ein Anschlusselement auf, das der Verbindung des Schaltungsträgers mit einer externen Anschlusseinrichtung, insbesondere einer externen Leiterplatte mit Laststromleiterbahnen dient. Zudem weist das Leistungshalbleitermodul einen Druckeinleitkörper zur Druckeinleitung auf den Schaltungsträger auf. In einer Anordnung mit diesem Leistungshalbleitermodul dient der Druckkörper zur thermischer und mechanischer Verbindung des Schaltungsträgeres mit einer Kühleinrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE 196 30 173 A1 und grundsätzlich dargestellt in 8 ist ein Leistungsmodul bekannt, bestehend aus Halbleiterbauelementen und passiven elektronischen Bauteilen, das bei Druckkontaktierung aller Last- und Steueranschlüsse mit einer kundenspezifischen Leiterplatte oder ihr ähnlichen äußeren Verbindungselementen eine einfache Montage und zerstörungsfreie Demontage auf einer Kühleinrichtung mittels Verschraubung ermöglicht. Hierzu wird das Gehäuse 5 des Moduls mit Druckkontaktfedern 68, die ein günstiges Relaxationsverhalten ausweisen, für alle elektrischen Anschlüsse und zur gleichmäßigen Druckverteilung versehen. Zu Prüfzwecken und im Einsatz werden die Module zwischen einem Druckstück und einem Kühlkörper durch Verspannen mit mindestens einem Befestigungselement, einem Druckeinleitkörper, funktionsfähig gestaltet. Ein Mangel bei derartigen Ausgestaltungen liegt in der begrenzten Stromtragfähigkeit der bekannten Druckkontaktfedern 68, die dem Stand der Technik entsprechend bei ca. 10A liegt.
  • Aus der DE 10 2011 088 322 A1 ist ein Verbindungssystem zum elektrischen Verbinden elektronischer Geräte bekannt, das einen elektrisch leitenden ersten Anschluss, einen elektrisch leitenden zweiten Anschluss, sowie ein Clipelement umfasst. Der erste Anschluss ist in den zweiten Anschluss einsetzbar. Der erste Anschluss oder der zweite Anschluss weist eine erste Öffnung auf, in die das Clipelement eingesetzt werden kann. Im eingesetzten Zustand erzeugt das Clipelement einen Anpressdruck, durch den der erste Anschluss und der zweite Anschluss gegeneinander gepresst werden, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gewährleistet ist.
  • In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul vorzustellen, das bei ähnlicher Flexibilität und Kompaktheit eine wesentlich höhere Stromtragfähigkeit der Anschlusselemente aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Erfindungsgemäß ist das Leistungshalbleitermodul ausgebildet mit einem Druckeinleitkörper, mit einem Schaltungsträger, der mit einer ersten Leiterbahn, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement und einer internen Verbindungseinrichtung ausgebildet ist, mit einem Gehäuse, das mit einer darin angeordneten Führungseinrichtung ausgebildet ist und mit einem Anschlusselement. Hierbei ist das Anschlusselement ausgebildet als ein Bolzen mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt und einem dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt, wobei der erste Endabschnitt auf dem Schaltungsträger aufliegt und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei der zweite Endabschnitt durch eine Ausnehmung aus dem Gehäuse herausragt und wobei das Anschlusselement in der zugeordneten Führungseinrichtung angeordnet ist. Der Druckeinleitkörper weist hierbei einen ersten, starren, vorzugsweise aus einem ersten Isolierstoff bestehenden, Teilkörper und eine zweiten, vorzugsweise aus einem zweiten Isolierstoff bestehenden, elastischen Teilkörper auf, wobei der zweite Teilkörper in Richtung des Gehäuses aus dem ersten Teilkörper hervorsteht. Der Druckeinleitkörper und das Gehäuse sind vorzugsweise zweistückig ausgebildet. Das Merkmal, dass der zweite Teilkörper in Richtung des Gehäuses aus dem ersten Teilkörper hervorsteht, ist daher selbstverständlich nur bei bestimmungsgemäßer Verwendung erfüllt. Das Leistungshalbleitermodul ist dazu ausgebildet, dass der zweite Teilkörper auf einer dem Gehäuse abgewandten Seite, vorzugsweise flächig auf eine Leiterplatte, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Leistungshalbleitermoduls zwischen dem Druckeinleitkörper und dem Gehäuse samt Anschlusselement und damit auch zwischen dem zweiten Teilkörper und dem zweiten Endabschnitt angeordnet ist, in Richtung auf das Anschlusselement hin Druck auf die Leiterplatte einleitet. In anderen Worten ist das Leistungshalbleitermodul derart ausgebildet, dass bei bestimmungsgemäßer Verwendung zwischen dem zweiten Teilkörper und dem zweiten Endabschnitt eine Leiterplatte angeordnet ist. Der zweite Teilkörper ist somit dazu ausgebildet Druck, vorzugsweise flächig, in Richtung des zugeordneten Anschlusselements auszuüben, wobei der Druck längs in das Anschlusselement eingeleitet wird.
  • Vorzugsweise weist der Zwischenabschnitt als derjenige Teil des Anschlusselements mit der minimalen Querschnittsfläche eine Querschnittsfläche zwischen 0,5mm2 und 10mm2, insbesondere zwischen 0,75mm2 und 5mm2, auf. Eine Querschnittsfläche von 2,5 mm2 ist hierbei ausreichend für eine Stromtragfähigkeit von ca, 100A.
  • Es ist bevorzugt, wenn mindestens einer der Endabschnitte des Anschlusselements eine Kontaktfläche mit einer plan oder ballig ausgebildeten Oberflächenform aufweist. Hierbei kann die Kontaktfläche eine, vorzugsweise eine konzentrische Ringstruktur aufweisende, strukturierte Oberfläche aufweisen. Die Topologie dieser Struktur weist vorzugsweise eine Höhendifferenz zwischen 5µm und 50µm, vorzugsweise zwischen 10µm und 25µm, auf und einen Abstand der Strukturen zwischen 75µm und 500µm, vorzugsweise zwischen 150µm und 250µm, auf.
  • Insbesondere ist es bevorzugt, wenn mindestens einer, insbesondere der zweite, der Endabschnitte des Anschlusselements pilzartig ausgebildet ist.
  • Bevorzugt ist es, wenn das Anschlusselement aus Kupfer oder einer hauptsächlich, also zu mehr als 50 Masse-%, Kupfer enthaltenden Legierung ausgebildet und weiterhin bevorzugt weist es eine Oberflächenbeschichtung aus Silber oder aus einer hauptsächlich Silber enthaltenden Legierung auf.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Führungseinrichtung dazu ausgebildet, das zugeordnete Anschlusselement derart zu klemmen, dass es gegen Herausfallen gesichert ist, wobei die Führungseinrichtung mindestens eine, insbesondere drei Klemmeinrichtungen mit Klemmflächen aufweist, die das Anschlusselement an seinem Zwischenabschnitt klemmen.
  • Vorteilhafterweise weist der erste Teilkörper des Druckeinleitkörpers eine Ausnehmung auf, aus der zweite Teilkörper hervorsteht. Insbesondere hierbei besteht der erste Teilkörper des Druckeinleitkörpers aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, insbesondere mit einer metallischen Versteifungsstruktur. Der zweite Teilkörper besteht bevorzugt aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der Druckeinleitkörper dazu ausgebildet ist, dass bei bestimmungsgemäßer Verwendung der zweite Teilkörper fluchtend oder im Wesentlichen fluchtend mit der Führungseinrichtung angeordnet ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls ist in einer weiteren Führungseinrichtung ein Druckübertragungselement angeordnet, das grundsätzlich identischen dem Anschlusselement ausgebildet ist, allerdings aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet ist. Dieses Druckübertragungselement dient dann ausschließlich einer mechanischen, aber keiner elektrischen Kontaktierung.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist ausgebildet mit einem o.g. Leistungshalbleitermodul, mit einer Kühleinrichtung, mit einer Leiterplatte und mit einer Klemmeinrichtung zur Druckverbindung dieser Komponenten, wobei der Schaltungsträger mit der Kühleinrichtung druckkontiert, also kraftschlüssig, und somit thermisch leitend verbunden ist und wobei der zweite Endabschnitt des Anschlusselements mit einer zweiten Leiterbahn der Leiterplatte mechanisch und elektrische leitend druckkontaktiert, also wiederum kraftschlüssig, verbunden ist.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn der zweite Teilkörper des Druckeinleitkörpers fluchtend oder im Wesentlichen fluchtend mit der Führungseinrichtung angeordnet ist.
  • Unter einer druckkontaktierten mechanischen Verbindung wird eine direkte, unmittelbare Verbindung ebenso verstanden, wie eine Verbindung, die eine Zwischenschicht, insbesondere eine thermisch leitende, dünne Zwischensicht aufweist.
  • Eine besonders bevorteilte Ausführungsform der Anordnung ist ausgebildet, indem der Druckeinleitkörper, die Leiterplatte, das Gehäuse und der Schaltungsträger jeweils eine durchgehende Ausnehmung und die Kühleinrichtung eine Ausnehmung mit einem Innengewinde aufweisen, wobei die als Schraube ausgebildete Klemmeinrichtung durch die Ausnehmungen des Druckeinleitkörpers, der Leiterplatte, des Gehäuses und des Schaltungsträgers hindurchreicht und mit dem Innengewinde verschraubt ist, wodurch eine Druckeinleitung auf den Druckeinleitkörper, über den zweiten Teilkörper weiter auf die Leiterplatte, von dieser auf den mit der Leiterplatte in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden zweiten Endabschnitt des Anschlusselements und von dessen erstem Endabschnitt auf den damit in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden Schaltungsträger und weiter auf die Kühleinrichtung erfolgt.
  • Grundsätzlich können auch andere fachübliche, als Schrauben oder Klemmbolzen ausgebildete, Klemmeinrichtungen, die keine durchgehende Ausnehmung des Schaltungsträgers bedingen, sondern in einer an einer Außenseite des Gehäuses angeordneten Ausnehmung angeordnet sind, Teil der Anordnung sein.
  • Eine weitere besonders bevorteilte Ausführungsform der Anordnung ist ausgebildet, indem der Druckeinleitkörper, die Leiterplatte, das Gehäuse samt Schaltungsträger und die Kühleinrichtung durch mindestens zwei den Druckeinleitkörper, die Leiterplatte, das Gehäuses samt Schaltungsträger umfassende und sich in der Kühleinrichtung abstützende Klemmfedern verklemmt sind, wodurch eine Druckeinleitung auf den Druckeinleitkörper, über den zweiten Teilkörper weiter auf die Leiterplatte, von dieser auf den mit der Leiterplatte in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden zweiten Endabschnitt des Anschlusselements und von dessen erstem Endabschnitt auf den damit in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden Schaltungsträger und weiter auf die Kühleinrichtung erfolgt.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein. Beispielhaft handelt es sich bei dem genannten Leistungshalbleiterbauelement um mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, wobei mehrere Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet auf einer oder mehreren ersten Leiterbahnen des Schaltungsträgers ebenso hierunter verstanden werden. Ebenso sind die Anschlusselemente und die zugeordneten zweiten Teilkörper des Druckeinleitkörpers bevorzugt mehrfach vorhanden.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen sich nicht per se ausschließenden Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, unabhängig ob sie im Rahmen des Leistungshalbleitermoduls oder der Anordnung 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, sowie vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 8 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in erster erfindungsgemäßer Anordnung.
    • 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in zweiter erfindungsgemäßer Anordnung.
    • 3 zeigt eine Kontaktfläche eines Endabschnitts eines Anschlusselements.
    • 4 zeigt eine Klemmeinrichtung einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung.
    • 5 zeigt einen Druckeinleitkörper eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
    • 6 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul.
    • 7 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung in dreidimensionaler Ansicht.
    • 8 zeigt ein Leistungshalbleitermodul gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in erster erfindungsgemäßer Anordnung in Explosionsdarstellung. Die Anordnung weist hier folgende Komponenten auf: eine Klemmeinrichtung 8, einen Druckeinleitkörper 1 des Leistungshalbleitermoduls, eine Leiterplatte 7, ein Gehäuse 5 des Leistungshalbleitermoduls mit darin angeordnetem Schaltungsträger 2 und eine Kühlreinrichtung 9. Die Leiterplatte 7 ist hierbei zwischen dem Gehäuse 5 und dem Druckeinleitkörper 1 angeordnet.
  • Die Kühleinrichtung 9 ist ausgebildet als eine Luftkühleinrichtung mit einer Ausnehmung 96, die ein Innengewinde aufweist. Das Gehäuse 5 des Leistungshalbleitermoduls ist hier becherartig ausgebildet und überdeckt den Schaltungsträger 2 zur Kühleinrichtung 9 hin. Das Gehäuse 5 weist zwei Führungseinrichtungen 50 auf, in denen hier jeweils ein zugeordnetes Anschlusselement 6 angeordnet ist.
  • Der Schaltungsträger 2 ist ausbildet mit einem Substrat 20, das erste voneinander potentialgetrennte Leiterbahnen 22 aufweist. Auf diesen Leiterbahnen 22 sind Leistungshalbleiterbauelement 3 angeordnet und mit ihren ersten Kontaktflächen elektrisch leitend mit der jeweils zugeordneten Leiterbahn 22 verbunden. Die interne Verbindungseinrichtung 4 ist hier ausgebildet als eine Mehrzahl von fachüblichen Drahtbondverbindungen 40, die zweite Kontaktflächen der Leitungshalbeiterbauelemente 3 jeweils mit einer ersten Leiterbahn 22, oder nicht dargestellt mit zweiten Kontaktflächen anderer Leistungshalbleiterbauelemente, schaltungsgerecht verbinden.
  • Die Anschlusselemente 6 sind jeweils ausgebildet als ein Bolzen mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt 60, 62 und einem dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt 64. Die hier dargestellten Bolzen sind in ihrer Gesamtheit als Zylinder oder Hohlzylinder mit einer Querschnittsfläche von 3mm2 ausgebildet und bestehen aus Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung aus Silber. Der erste, hier plan ausgebildete, Endabschnitt 60 weist hierbei den Kontaktbereich 600 des Anschlusselements 6 zum Schaltungsträger 2 auf, genauer zu einer Kontaktfläche des Schaltungsträgers, wobei diese, wie dargestellt und bevorzugt, Teil einer ersten Leiterbahn 22, oder auch Teil einer zweiten Kontaktfläche eines Leistungshalbeleiterbauelements 3 sein kann. Das jeweilige in zugeordneten Führungseinrichtungen 50 angeordnet Anschlusselement 6 ragt durch eine Ausnehmung 52 aus dem Gehäuse 5 heraus, wodurch der zweite, ebenfalls plan ausgebildete, Endabschnitts 62 des Anschlusselements 6, insbesondere mittels seiner Kontaktfläche 620, die externe Kontakteinrichtung des Leistungshalbleitermoduls ausbildet. Die Führungseinrichtung 50 ist, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, hier einstückig mit dem Gehäuse 5 ausgebildet. Ebenso reicht sie bis an die Außenseite des Gehäuses 5 und die dortige Ausnehmung 52 heran.
  • Der zweite Endabschnitt 62, genauer seine Kontaktfläche 620 ist dafür ausgebildet bzw. dazu ausgebildet mit einer zweiten Leiterbahn 72, einer Leiterbahn der Leiterplatte 7, in mechanischem und elektrischen Kontakt zu stehen. Diese zweite Leiterbahn 72 ist hier dazu ausgebildet das Leistungshalbleitermodul mit Last- und Hilfs-, wie Steuer- oder Sensor-, -potenialen zu verbinden.
  • Weiterhin dargestellt ist der Druckeinleitkörper 1 des Leistungshalbleitermoduls. Dieser weist einen starren, aus einem ersten Isolierstoff bestehenden, ersten Teilkörper 10 und hieraus in Richtung des Gehäuses 5 hervorstehende zweite, aus einem zweiten Isolierstoff bestehende, Teilkörper 12 auf. Der erste Teilkörper 10 ist hier aus Polyphenylensulfid ausgebildet, und weist im Bedarfsfall noch eine zusätzliche eingespritzte oder in einer dafür vorgesehenen Aussparung, vgl. 7, angeordnete metallische Versteifungsstruktur auf. Die zweiten Teilkörper 12 sind elastisch aus einem Silikonkautschuk, hier einem sog. vernetzten Liquid-Silicon-Rubber oder alternativ aus einem sog. vernetzter Solid-Silicon Rubber, ausgebildet. In fachüblicher Weise sind diese zweiten Teilkörper 12 in Ausnehmungen 120 des ersten Teilkörpers 10 angeordnet und stehen aus diesen hervor. Diese zweiten Teilkörper 12 sind fluchten mit den Führungseinrichtungen 50 und damit auch mit den Anschlusselementen 6 angeordnet.
  • Die Klemmeinrichtung 8 ist hier ausgebildet als eine einzelne Schraube 80, die durch zueinander fluchtende Ausnehmungen 16, 76, 56, 26 des Druckeinleitkörpers 1, der Leiterplatte 7, des Gehäuses 5 samt Schaltungsträger 2 hindurchreicht und in die ebenfalls fluchtende Ausnehmung 96 der Kühleinrichtung 9 eingreift. Durch die Druckeinleitung mittels dieser Klemmeinrichtung 8 wird eine Druckverbindung der genannten Komponenten erreicht. Hierbei drücken die zweiten Teilkörper 12 des Druckeinleitkörpers 1 in der Flucht der Führungseinrichtungen 50 des Gehäuses 5 auf die Leiterplatte 7, genauer auf deren dem Gehäuse 5 abgewandte Seite und in Richtung auf das dem jeweiligen Teilkörper 12 zugeordneten Anschlusselement 6. Hierbei kann auch ein Teilkörper 12 mehreren Anschlusselementen 6 zugeordnet sein. Die Leiterplatte 7 überträgt den Druck 14 auf den zweiten Endabschnitt 62 des Anschlusselements 6, wodurch eine druckkontaktierte, also kraftschlüssige, mechanische und auch elektrisch leitende Verbindung zwischen diesem zweiten Endabschnitt 62 und einer zweiten Leiterbahn 72 der Leiterplatte 7 ausgebildet wird, wobei die zweite Leiterbahn 72 auf der dem Gehäuse zugewandten Seite der Leiterplatte 7 angeordnet ist.
  • Das jeweilige Anschlusselement 6 dient der Stromführung zwischen der zweiten Leiterbahn 72 der Leiterplatte 7 und dem Schaltungsträger 2. Durch die Klemmeinrichtung 8 wird hierzu zwischen dem ersten Endabschnitt 60 des Anschlusselements 6 und der zugeordneten Kontaktfläche des Schaltungsträgers 2 ebenfalls eine druckkontaktierte, also kraftschlüssige, mechanische und auch elektrisch leitende Verbindung, ausgebildet.
  • Weiterhin wird durch die mechanische Kraftübertragung mittels des Anschlusselements 6 der Schaltungsträger 2 auf die Kühleinrichtung 9 gedrückt, wodurch diese kraftschlüssig mechanisch verbunden werden. Hierdurch wird eine hervorragende thermische Kopplung des Schaltungsträgers 2 und somit auch der Leistungshalbleiterbauelemente 3 mit der Kühleinrichtung 9 erzielt. Das Anschlusselement 6 des Leistungshalbleitermoduls weist in der erfindungsgemäßen Anordnung den dreifachen Vorteil auf, zwei elektrische Kontakte und einen thermischen Kontakt auszubilden.
  • Falls es zusätzlich notwendig sein sollte zur weiteren Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen dem Schaltungsträger 2 und der Kühleinrichtung 9, können in weiteren Führungseinrichtungen 50 zusätzliche Druckübertragungselemente angeordnet und mittels der Klemmeinrichtung 8 mit Druck beaufschlagt werden. Diese Druckübertragungselemente gleichen in ihrer Gestalt den Anschlusselementen 6 sind allerdings aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet. Unter gleicher Gestalt soll insbesondere eine grundsätzlich gleich oder sehr ähnliche geometrische Ausgestaltung verstanden werden. Es ist hierbei aufgrund der flexiblen Druckeinleitung mittels der zweiten Teilkörper 12 des Druckeinleitkörpers 1 nicht notwendig, dass Anschlusselemente 6 und Druckeinleitelemente den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in zweiter erfindungsgemäßer Anordnung, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Druckeinleitkörper 1 und die Leitplatte 7 geringfügig von benachbarten Komponenten beabstandet dargestellt sind.
  • Der Druckeinleitkörper 1 ist bis auf die Ausnehmung zur Durchführung einer Schraube funktional und stofflich gleich demjenigen gemäß erster Ausgestaltung ausgebildet. Gleiches trifft auf die Leiterplatte 7 und das Gehäuse 5 zu.
  • Bei dieser Ausgestaltung weist der Schaltungsträger 2 als interne Verbindungseinrichtung 4 einen fachüblichen Folienstapel 42 aus elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Folien auf, die hier in sich strukturiert sind und Durchkontaktierungen aufweisen. Die Anschlusselemente 6, und ggf. zusätzlich vorhandene Druckeinleitkörper, sind hier mit der Verbindungseinrichtung 4 oder mit einer ersten Leiterbahn 22 des Schaltungsträgers 2 elektrisch leitend verbunden.
  • Der jeweilige zweite Endabschnitt 62 der Anschlusselemente 6 ist hier pilzartig ausgebildet, um die Gefahr einer Beschädigung der Kontaktflächen der zweiten Leiterbahnen 72 der Leiterplatte 7 zu verringern. Zudem weist der zweite Endabschnitt 62 eine in 3 dargestellte konzentrische Ringstruktur 622 auf, die einer möglichen durch thermische Belastung induzierten Bewegung in der Ebene der Leiterplatte 7 entgegenwirkt. Die ersten Endabschnitte 60 der Anschlusselemente 6 sind hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, plan und ohne Struktur ausgebildet, da die Kontaktflächen des Schaltungsträgers robuster ausgebildet sind und somit die Gefahr einer Beschädigung nicht gegeben ist. Die Auswahl des ersten Endabschnitts hängt somit von der Ausgestaltung des Schaltungsträgers ab.
  • Die Kühleinrichtung 9 ist wiederum als Luftkühleinrichtung ausgebildet. Zwischen dem Schaltungsträger 2 und der Kühleinrichtung 9 ist eine dünne, pastöse und wärmeleitende Substanz 90 angeordnet.
  • 4 zeigt eine Klemmeinrichtung 8, ausgebildet als Klemmfeder 82, einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung. Hierzu weist die Kühleinrichtung 9 Ausnehmungen 92 zur Abstützung der Klemmfeder 82 auf. Die Klemmfeder 82 selbst umfasst den Druckeinleitkörper 1, die Leiterplatte 7 und das Gehäuse 5 samt Schaltungsträger 2. Das Wirkprinzip ist bis auf die genannte unterschiedliche Druckeinleitung identisch derjenigen der ersten Anordnung.
  • 5 zeigt einen Druckeinleitkörper 1, stofflich und funktional ausgebildet wie oben unter 1 beschrieben, eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Dieser Druckeinleitkörper 1 weist einen starren ersten Teilkörper 10 mit zwei Ausnehmungen 16 zur Durchführung von bevorzugt als Schrauben 80 ausgebildeten Klemmeinrichtungen 8 auf. Weiterhin dargestellt sind sechs Dome 100 mit darin befindlichen Ausnehmungen 120, vgl. sinngemäß 1, des ersten Teilkörpers 10 in den die jeweiligen zweiten Teilkörper 12 angeordnet sind und aus ihnen in Richtung auf das Gehäuse herausragen. Dieser Teilkörper 12 ist, wie oben beschrieben, dazu ausgebildet Druck 14 auf eine Leitplatte 7, die im Sinn der 7 zum Leistungshalbleitermodul anordenbar ist, auszuüben, wobei diese Leiterplatte 7 zwischen dem Druckeinleitkörper 1 und dem Gehäuse 5 samt Anschlusselement 6 und damit auch zwischen dem zweiten Teilkörper 12 und dem zweiten Endabschnitt 62 des Anschlusselements 6 angeordnet ist.
  • 6 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul ohne den Druckeinleitkörper. Das Gehäuse 5 weist sechs schachtartige Führungseinrichtungen 50 auf, die zur Anordnung von Anschlusselementen 6 vorgesehen sind. Diese Führungseinrichtungen 50 weisen hier einen quadratischen Querschnitt auf, während die Anschlusselemente 6, von denen nur eines dargestellt ist, zylinderförmig und somit mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet sind. Durch diese Ausgestaltung ist es ausreichend, wenn eine Klemmeinrichtung 52 mit einer Klemmfläche 54 vorgesehen ist um das Anschlusselement 6 gegen Herausfallen zu sichern. Selbstverständlich ist die hier aufgebrachte Klemmkraft nicht ausreichend die Funktionalität der Anschlusselemente 6 im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung zu behindern.
  • Grundsätzlich können bei zylinderförmigen Anschlusselementen 6 auch die Führungseinrichtungen einen runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitt aufweisen. Dann ist es allerdings bevorzugt jeweils drei sternförmig angeordnete Klemmeinrichtungen mit Klemmflächen zum Schutz vor Herausfallen des Anschlusselements vorzusehen.
  • Das becherförmige Gehäuse 5 weist weiterhin einen oben zu 1 bereits beschriebenen Schaltungsträger 2 und zwei mit Ausnehmungen des Druckeinleitkörpers, beispielhaft dargestellt in 5, fluchtende Ausnehmungen 56 zur Anordnung einer als Schrauben ausgebildeten Klemmeinrichtung auf.
  • 7 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung in dreidimensionaler Ansicht ohne eine Kühleinrichtung. Dargestellt ist der Druckeinleitkörper 1 mit einem ersten Teilkörper 10 und metallsicher Versteifungsstruktur, die hier als eine flächige Metallplatte 102 ausgebildet ist, die in einer Aussparung des ersten Teilkörpers 10 angeordnet ist. Durch diese Metallplatte 102 und damit auch durch eine Ausnehmung 16 des ersten Teilkörpers 10 reichte eine Schraube 80 als Klemmeinrichtung.
  • Diese Schraube 80 reicht weiter durch die Ausnehmungen der Leiterplatte 7 und des Gehäuses 5 samt nicht sichtbaren Schaltungsträger, vgl. 1.

Claims (15)

  1. Leistungshalbleitermodul mit einem Druckeinleitkörper (1), mit einem Schaltungsträger (2), ausgebildet mit einer ersten Leiterbahn (22), einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (3) und einer internen Verbindungseinrichtung (4), mit einem Gehäuse (5) ausgebildet mit einer darin angeordneten Führungseinrichtung (50) und mit einem Anschlusselement (6), wobei das Anschlusselement (6) ausgebildet ist als ein Bolzen mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt (60, 62) und einem dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt (64), wobei der erste Endabschnitt (60) auf dem Schaltungsträger (2) aufliegt und elektrisch leitend damit verbunden ist, und wobei der zweite Endabschnitt (62) durch eine Ausnehmung aus dem Gehäuse (5) herausragt, wobei das Anschlusselement (6) in der zugeordneten Führungseinrichtung (50) angeordnet ist und wobei der Druckeinleitkörper (1) einen ersten, starren Teilkörper (10) und einen zweiten, elastischen Teilkörper (12) aufweist, wobei der zweite Teilkörper (12) in Richtung des Gehäuses (5) aus dem ersten Teilkörper (10) hervorsteht und dazu ausgebildet ist Druck (14) auf eine Leitplatte (7) auszuüben, wenn diese Leiterplatte (7) zwischen dem Druckeinleitkörper (1) und dem Gehäuse (5) samt Anschlusselement (6) und damit auch zwischen dem zweiten Teilkörper (12) und dem zweiten Endabschnitt (62) des Anschlusselements (6) angeordnet ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der Zwischenabschnitt (64) des Anschlusselements (6) eine Querschnittsfläche zwischen 0,5mm2 und 10mm2, insbesondere zwischen 0,75mm2 und 5mm2 aufweist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Endabschnitte (60, 62) des Anschlusselements (6) eine Kontaktfläche (600, 620) mit einer plan oder ballig ausgebildeten Oberflächenform aufweist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, wobei die Kontaktfläche (600, 620) eine, vorzugsweise eine konzentrische Ringstruktur (622) aufweisende, strukturierte Oberfläche aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Endabschnitte (60, 62) des Anschlusselements (6) pilzartig ausgebildet ist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (6) aus Kupfer oder einer hauptsächlich Kupfer enthaltenden Legierung ausgebildet ist und vorzugsweise eine Oberflächenbeschichtung aus Silber oder aus einer hauptsächlich Silber enthaltenden Legierung aufweist.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, das zugeordnete Anschlusselemente (6) derart zu klemmen, dass es gegen Herausfallen gesichert ist, wobei die Führungseinrichtung (50) mindestens eine, insbesondere drei Klemmeinrichtungen (52) mit Klemmflächen (54) aufweist, die das Anschlusselement (6) an seinem Zwischenabschnitt (64) klemmen.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilkörper (10) des Druckeinleitkörpers (1) eine Ausnehmung (120) aufweist, aus der der zweite Teilkörper (12) hervorsteht.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilkörper (10) des Druckeinleitkörpers (1) aus einem ersten Isolierstoff, vorzugsweise einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, insbesondere mit einer metallischen Versteifungsstruktur (102) und der zweite Teilkörper (12) aus einem zweiten Isolierstoff, vorzugsweise aus Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, besteht.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilkörper (12) des Druckeinleitkörpers (1) fluchtend oder im Wesentlichen fluchtend mit der Führungseinrichtung (50) angeordnet ist.
  11. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer weiteren Führungseinrichtung (50) ein Druckübertragungselement angeordnet ist, das grundsätzlich identisch dem Anschlusselement (6), allerdings aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, ausgebildet ist.
  12. Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kühleinrichtung (9), mit einer Leiterplatte (7) und mit einer Klemmeinrichtung (8) zur Druckverbindung dieser Komponenten, wobei der Schaltungsträger (2) mit der Kühleinrichtung (9) druckkontiert und somit thermisch leitend verbunden ist und wobei der zweite Endabschnitt (62) des Anschlusselements (6) mit einer zweiten Leiterbahn (72) der Leiterplatte (7), mechanisch und elektrisch leitend, druckkontaktiert verbunden ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei der zweite Teilkörper (12) des Druckeinleitkörpers (1) fluchtend oder im Wesentlichen fluchtend mit der Führungseinrichtung (50) angeordnet ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Druckeinleitkörper (1), die Leiterplatte (7), das Gehäuse (5) und der Schaltungsträger (2) jeweils eine durchgehende Ausnehmung (16, 76, 56, 26) und die Kühleinrichtung (9) eine Ausnehmung (96) mit einem Innengewinde aufweisen und wobei die als Schraube (80) ausgebildete Klemmeinrichtung (8) durch die Ausnehmungen (16, 76, 56, 26) des Druckeinleitkörpers (1), der Leiterplatte (7), des Gehäuses (5) und des Schaltungsträgers (2) hindurchreicht und mit dem Innengewinde verschraubt ist, wodurch eine Druckeinleitung auf den Druckeinleitkörper (1), über den zweiten Teilkörper (12) weiter auf die Leiterplatte (7), von dieser auf den mit der Leiterplatte (7) in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden zweiten Endabschnitt (62) des Anschlusselements (6) und von dessen erstem Endabschnitt (60) auf den damit in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden Schaltungsträger (2), und weiter auf die Kühleinrichtung (9) erfolgt.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Druckeinleitkörper (1), die Leiterplatte (7), das Gehäuse (5) samt Schaltungsträger (2) und die Kühleinrichtung (9) durch mindestens zwei den Druckeinleitkörper (1), die Leiterplatte (7), das Gehäuse (5) samt Schaltungsträger (2) umfassende und sich in der Kühleinrichtung (9) abstützende Klemmfedern (82) verklemmt sind, wodurch eine Druckeinleitung auf den Druckeinleitkörper (1), über den zweiten Teilkörper (12) weiter auf die Leiterplatte (7), von dieser auf den mit der Leiterplatte (7) in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden zweiten Endabschnitt (62) des Anschlusselements (6) und von dessen erstem Endabschnitt (60) auf den damit in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt stehenden Schaltungsträger (2), und weiter auf die Kühleinrichtung (9) erfolgt.
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