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Die Erfindung beschreibt eine Druckeinrichtung für eine leistungselektronische Schalteinrichtung, die eine Basiszelle eines Leistungshalbleitermoduls oder eines leistungselektronischen Systems ausbilden kann, indem sie alleine oder in Kombination mit weiteren, vorzugsweise identischen, Basiszellen den leistungselektronischen Grundbaustein des Leistungshalbleitermoduls oder des leistungselektronischen Systems bildet. Weiterhin beschreibt die Erfindung eine Anordnung mit einer derartigen leistungselektronischen Schalteinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der
DE 10 2013 104 949 B3 , ist eine Schalteinrichtung mit einem Substrat, einem Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer Druckeinrichtung bekannt. Hierbei weist das Substrat elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet und weist eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Hiermit wird die Schalteinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden. Die Druckeinrichtung weist einen Druckkörper mit einer ersten Ausnehmung auf, aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Flächenabschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds drückt und hierbei dieser Flächenabschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
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Es ist aus der
EP 2 458 632 A1 Wärmesenkenmodul für elektronische Halbleiterbauelemente bekannt. Ein derartiges Modul umfasst, einen Dissipationskörper mit Rippen, der zum Abführen der von den Halbleiterbauelemente entwickelten Wärme dient, Mittel zum Aufnehmen und Fixieren der Halbleiterbauelemente am Dissipationskörper. Die Aufnahme- und Befestigungsmittel umfassen einen Rahmen, der abnehmbar an dem Dissipationskörper befestigt ist, um mindestens zwei unabhängige Schlitze auszubilden. In jeder der mindestens zwei Schlitze ist eine Halbleiterbauelement angeordnet, das aus dem Schlitz herausnehmbar ist.
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Zum allgemeinen Stand der Technik zählen noch die
US 4 233 645 A die
DE 195 33 298 A1 und die
DE 10 2009 002 191 A1 . Die
US 4 233 645 A offenbart eine Halbleiterbauelement-Baugruppe mit einem Substrat, einer oder mehreren Halbleiterbauelementen, die auf der Oberseite des Substrats angebracht sind, eine Wärmesenke und mindestens einem verformbaren Wärmeübertragungselement, das zwischen dem auf der Oberseite des Substrats angebrachten Halbleiterbauelement und der Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet ist.
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Die
DE 195 33 298 A1 offenbart ein elektronisches Modul ausgebildet mit Leistungsbauelementen, einem Kühlkörper, einem Schutzgehäuse mit Außenanschlüssen, und mit Mitteln zur Bewirkung einer Flächenpressung zwischen den Leistungsbauelementen und einer Wärmekontaktfläche des Kühlkörpers. Hierbei ist das Schutzgehäuse hutartig auf den Außenrand des Kühlkörpers, auf dessen zum Schutzgehäuse weisender Wärmekontaktfläche die Leistungsbauelemente aufliegen, aufsetzbar. Das Schutzgehäuse besteht aus Kunststoff und weist integrierte Klemm- und Rastbereiche auf. Der Außenrand des Kühlkörpers so ausgebildet ist, dass durch Aufsetzen des Schutzgehäuses ein ringförmiger Kraft- und Formschluss zwischen dem Schutzgehäuse und dem Kühlkörper herstellbar ist, wobei mit dem Aufsetzen gleichzeitig die Flächenpressung durch zwischen den Leistungsbauelementen und dem aufgesetzten Schutzgehäuse angeordnete Kraftschlusselemente bewirkt ist.
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Die
DE 10 2009 002 191 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einem Leistungshalbleiterchip, der eine oberseitige elektrische Kontaktfläche aufweist, auf die ein Bonddraht gebondet ist. Zumindest wenn das Leistungshalbleitermodul an einem Kühlkörper befestigt ist, erzeugt ein Anpresselement eine Anpresskraft, die auf einen Teilabschnitt eines Bonddrahtabschnittes wirkt, der zwischen zwei benachbarten Bondstellen des Bonddrahtes ausgebildet ist. Durch die Anpresskraft werden der Leistungshalbleiterchip und ein darunter befindliches Substrat gegen den Kühlkörper gepresst.
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In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flexibel an die jeweilige leistungselektronische Schalteinrichtung anpassbare Druckeinrichtung, sowie die zugehörige Schalteinrichtung und eine Anordnung hiermit vorzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Druckeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, sowie durch eine Anordnung mit einer leistungselektronischen Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils in abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Druckeinrichtung ist ausgebildet mit einem Grundkörper, der eine Mehrzahl von Aufnahmeeinrichtungen für Druckkörper aufweist, wobei der jeweilige Druckkörper ausgebildet ist mit einem ersten, starren Teilkörper und einem zweiten federelastischen Teilkörper, wobei die Druckkörper mittels einer reversiblen Verbindung in den Aufnahmeeinrichtungen des Grundkörpers angeordnet sind und der jeweilige zweite Teilkörper von dem zugeordneten ersten Teilkörper in Richtung weg von dem Grundkörper hervorsteht, wobei der erste Teilkörper aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, und der zweite Teilkörper aus einem Elastomer besteht und wobei der zweite Teilkörper teilweise in einer Aussparung des ersten Teilkörpers angeordnet ist und aus dieser herausragt. Es können hierbei einer oder mehrere erste Teilkörper auch jeweils mehr als einen zweiten Teilkörper aufweisen.
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Die reversible Verbindung kann hierbei kraft- oder formschlüssig, insbesondere als Schnapp-Rast-Verbindung oder als Klemmverbindung ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist der erste Teilkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet, wobei in diesen Kunststoff oder in einer Ausnehmung des ersten Teilkörpers noch eine metallische Versteifungsstruktur angeordnet sein kann. Der zweite Teilkörper ist vorzugsweise einem Silikonelastomer, insbesondere aus einem vernetzten Flüssig-Silikon, ausgebildet. Verschiedene zweite Teilkörper können zudem unterschiedliche Höhen aufweisen, insbesondere können sie verschieden weit aus dem zugeordneten ersten Teilkörper hervorstehen. Der zweite Teilkörper ragt insbesondere kissenartig aus der Aussparung des ersten Teilkörpers heraus, wobei seine Oberfläche plan, konvex oder konkav ausgebildet sein kann.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn jeweils eine Mehrzahl von Aufnahmeeinrichtungen des Grundkörpers matrixartig in Form einer n×m Matrix angeordnet sind und hierbei die Aufnahmeeinrichtungen (500) vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet sind, wobei die Abstände in n-Richtung der Matrix durchaus unterschiedlich zu denjenigen in m-Richtung sein können, auch können nur Teile dieser Reihen gleiche Abstände aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist ausgebildet mit einem Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung und mit einer Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist und auf einer der Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement mit seiner ersten Hauptfläche angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung mittels einer Druckfläche eines der zweiten Teilkörper auf einen ersten, der Druckeinrichtung zugewandten, Flächenabschnitt der Verbindungseinrichtung drückt, wobei dieser erste Flächenabschnitt in Normalenrichtung des Substrats fluchtend zu einer Oberfläche der ersten Hauptfläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung als Folienverbund, wie er im Grunde aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht kraft- oder stoffschlüssig verbunden ist.
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Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Druckfläche des zweiten Teilkörpers in Projektion in Normalenrichtung des Substrats vollständig innerhalb der Oberfläche des Leistungshalbleiterbauelements liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckeinrichtung mittels einer weiteren Druckfläche eines der zweiten Teilkörper auf einen zweiten, der Druckeinrichtung zugewandten, Flächenabschnitt der Verbindungseinrichtung drückt, wobei dieser zweite Flächenabschnitt in Projektion in Normalenrichtung des Substrats außerhalb der Oberflächen aller Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet ist. Dies bedeutet, dass dieser zweite Teilkörper oder diese zweiten Teilkörper ausschließlich auf Bereiche neben Leistungshalbleiterbauelementen drücken.
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Vorzugsweise weist der Flächeninhalt des ersten Flächenabschnitts mindestens 25%, insbesondere mindestens des Flächeninhalts der Oberfläche des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements auf. Hierbei wird unter Fläche des Leistungshalbleiterbauelements dessen gesamte flächige Ausdehnung, also nicht nur diejenige der Anschluss- bzw. Kontaktflächen, verstanden.
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Erfindungsgemäß ausgebildet ist die Anordnung mit einer vorbeschriebenen elektronischen Schalteinrichtung, mit einer Kühleinrichtung und mit einer Druckeinleiteinrichtung, wobei diese Druckeinleiteinrichtung sich mittelbar oder unmittelbar gegen die Kühleinrichtung abstützt, vorzugsweise mittig, auf die Druckeinrichtung Druck einleitet und hierdurch die Schalteinrichtung kraftschlüssig mit der Kühleinrichtung verbunden ist.
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Ebenso ist es auf Grund der besonders wirksamen Druckeinleitung möglich, dass zwischen Substrat, insbesondere demjenigen Teil des Substrats, auf dem die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, und der Kühleinrichtung, eine wärmeleitende Schicht, insbesondere eine Wärmeleitpaste, mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet werden kann.
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Ebenso kann es bevorzugt sein, wenn die Kühleinrichtung eine vorzugsweise metallische Grundplatte eines Leistungshalbleitermoduls oder ein Kühlkörper ist.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die oben im Singular genannten Merkmale vorhanden sein. Insbesondere kann das Leistungshalbleiterbauelement, mehrfach in der jeweiligen leistungselektronischen Schalteinrichtung oder der Anordnung hiermit vorhanden sein.
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Weitere Erläuterung der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele.
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1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung in seitlicher Schnittansicht.
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3 zeigt eine derartige erfindungsgemäße Druckeinrichtung in Draufsicht.
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4 zeigt einen Druckkörper in dreidimensionaler Ansicht.
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5 und 6 zeigen weitere dreidimensionale Ansichten erfindungsgemäßer Druckeinrichtungen.
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7 zeigt in Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung.
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8 und 9 zeigen eine erfindungsgemäße leistungselektronische Schalteinrichtung in unmontiertem bzw. montiertem Zustand.
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10 zeigt eine Draufsicht auf eine leistungselektronische Schalteinrichtung in verschiedenen Schnittebenen.
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1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung 5 für eine leistungselektronische Schalteinrichtung in seitlicher Schnittansicht. Die Druckeinrichtung 5 weist hierbei eine Grundkörper 50 auf, der in dieser Ausgestaltungen eine Mehrzahl gleichartig ausgebildeter Aufnahmeeinrichtungen 500 aufweist. Diese Aufnahmeeinrichtungen 500 sind als Ausnehmungen des Grundkörpers 50 ausgebildet.
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Weiterhin weist die Druckeinrichtung 5 eine Mehrzahl von Druckkörpern 52 auf, wovon jeder dieser Druckkörper 52 einer Ausnehmung, also einer Aufnahmeeinrichtung 500, des Grundkörpers 50 zugeordnet ist und in dafür vorgesehen ist in dieser angeordnet zu werden, vgl. 2. Hierbei weist der jeweilige Druckkörper 52 einen ersten starren Teilkörper 54 auf, der aus einem hochtemperaturbeständigen, vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid besteht. In einer weiteren Ausnehmung 540, derjenigen des ersten Teilkörpers 54 ist ein zweiter Teilkörper 56 derart angeordnet, dass er aus dieser Ausnehmung 540 in Richtung weg von dem zugeordneten Grundkörper 50 hervorsteht.
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Der jeweilige zweite Teilkörper 56 besteht aus einem Elastomer, vorzugsweise einem Silikonelastomer, insbesondere aus einem vernetzten Flüssig-Silikon und ist in der weiteren Ausnehmung 540 mittels eines Zwei-Komponenten-Kunststoffspritzverfahrens dort angeordnet. Der zweite Teilkörper 56 ragt in dieser Ausgestaltung kissenartig mit einer planen Druckfläche 560, 562 aus der weiteren Ausnehmung 540 heraus.
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Hier nur beispielhaft dargestellt sind zwei Varianten von Druckkörpern mit unterschiedlicher Höhe der ersten Teilkörper, um einen parallelen Versatz der Druckflächen der zweiten Teilkörper verschiedener Druckkörper auszubilden, vgl. 8 und 9. Gleichwirkend hierzu kann auch die Dicke des zweiten Teilkörpers variiert werden, oder die Tiefe der Ausnehmung des Grundkörper variiert werden, oder beliebige Kombinationen aus diesen Varianten.
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Der Grundkörper 50 der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 5 kann bevorzugt eine Vielzahl von Ausnehmungen also von Aufnahmeeinrichtungen 500 aufweisen, die matrixartig in Form einer n×m Matrix angeordnet sind. Hierbei muss nicht zwangsläufig in jeder Ausnehmung ein Druckkörper 52 angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Druckkörper 52, mit ihrem ersten Teilkörper 54 kraft- oder formschlüssig, hier in Form einer kraftschlüssigen reversiblen Klemmverbindung angeordnet. Es ist besonders vorteilhaft, dass ein Grundkörper 50 somit anwendungsspezifisch mit Druckkörper 52 bestückt werden kann, was die Pfeile in 1 andeuten sollen. 2 zeigt dann einen derartig bestückten Grundkörper 50, der mit den angeordneten Druckkörpern 52 die Druckeinrichtung 5 ausbildet.
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3 zeigt eine derartige erfindungsgemäße Druckeinrichtung 5 in Draufsicht. Dargestellt ist analog zu den 1 und 2 ein Grundkörper 50 mit matrixartig in Form einer 4×2 Matrix angeordneten Ausnehmungen 500, wobei die Ausnehmungen jeweils in x- und y-Richtung äquidistant angeordnet sind. In den Ausnehmungen 500 sind hier verschieden ausgebildete Druckkörper 52 angeordnet.
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Es sind Druckkörper 52 mit annährend quadratischer Druckfläche 560 wie auch mit rechteckiger oder runder Druckfläche dargestellt. Zwei der Druckkörper 52 weisen jeweils einen ersten Teilkörper 54 und zwei zweite Teilkörper 56 auf. Hierbei sollen die dargestellten Varianten ausschließlich als Beispiel für verschiedenste Ausgestaltungen des zweiten Teilkörpers 56 dienen.
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4 zeigt einen Druckkörper 52, wie er grundsätzlich oben zu 1 und 2 beschrieben wurde in dreidimensionaler Ansicht. Der wesentliche Unterschied besteht hier in der Ausgestaltung der Verbindung zum Grundkörper, wobei hier der Druckkörper 52, genauer dessen erster Teilkörper 54, Rastnasen 542 aufweist die mit Widerlagern 502, vgl. 6, diese reversible Verbindung ausbilden.
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5 und 6 zeigen weitere dreidimensionale Ansichten erfindungsgemäßer Druckeinrichtungen 5. 5 zeigt hierbei eine Schnittansicht einer leistungselektronischen Schalteinrichtung in Form eines Leistungshalbleitermoduls, wobei die Druckeinrichtung 5 Teil des Gehäuses 510 des Leistungshalbleitermoduls ist. Das Leistungshalbleitermodul weist weiterhin ein fachübliches Substrat 2 auf, das beispielhaft bei folgenden Figuren näher beschrieben wird. Im Übrigen zeigen diese Figuren jeweils einen Grundkörper 50, bei dem in Ausnehmungen 500 jeweils zugeordnete Druckkörper 52, weitgehend ähnlich denen gemäß 4, mittels einer Schnapp-Rast-Verbindung 502, 542 angeordnet sind.
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7 zeigt in schematischer Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen wie sie für eine Halbbrückentopologie einer leistungselektronischen Schaltung typisch sind.
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Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 7 angeordnet, das fachüblich als Einzelschalter, beispielhaft als MOS-FET, oder als IGBT mit antiparallel geschalteter Leistungsdiode, die hier dargestellt ist, ausgebildet sein kann. Die Leistungshalbleiterbauelemente 7, genauer deren erste Kontaktfläche (700, vgl. 2) der ersten Hauptfläche 700 sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Drucksinterverbindung 84, stoffschlüssig mit der zugeordneten Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
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Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 1 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem Folienverbund, der alternierend elektrisch leitende Folien 30, 34 und elektrisch isolierende Folien 32 aufweist. Hier weist der Folienverbund genau zwei leitende und eine dazwischen angeordnete isolierende Folie auf. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche dieses Folienverbunds 3 bildet hierbei dessen erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende dessen zweite Hauptfläche 340 ausbildet. Insbesondere die leitenden Folien 30, 34 der Verbindungseinrichtung 3 sind in sich strukturiert und bilden somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus. Diese Leiterbahnabschnitte verbinden insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 7, genauer dessen Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats. In dieser Ausgestaltung sind die Leiterbahnabschnitte mit den Kontaktflächen des Substrats 2 mittels einer Drucksinterverbindung 82 stoffschlüssig verbunden.
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Zur externen elektrischen Anbindung weist die leistungselektronische Schalteinrichtung 1 Last- und Hilfsanschlusselemente auf, wobei hier nur die Lastanschlusselemente 10, 12 dargestellt sind. Diese Lastanschlusselemente sind rein beispielhaft als ein Metallformkörper 10 ausgebildet, der mit einem Kontaktfuß mit einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 stoffschlüssig, vorteilhafterweise ebenfalls mittels einer Drucksinterverbindung, verbunden sind. Ebenso dargestellt ist eine alternative, ebenfalls fachübliche Ausgestaltung eines Lastanschlusselemente als Kontaktfeder 12 dargestellt. Grundsätzlich können auch Teile der Verbindungseinrichtung 3 selbst als Last- oder Hilfsanschlusselemente ausgebildet sein. Die nicht dargestellten Hilfsanschlusselemente, wie Gate- oder Sensoranschlüsse, sind vorzugsweise ebenfalls fachüblich, insbesondere funktional identisch den oben beschrieben Lastanschlusselementen, ausgebildet.
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Die Druckeinrichtung 5 ist wie unter 1 und 2 beschrieben ausgebildet und weist einen Grundkörper 50 und in dessen Ausnehmungen 500 reversibel angeordnete Druckkörper 52, ihrerseits bestehend aus eine ersten und zweiten Teilkörper 54, 56, auf. Die Druckflächen 560 der zweiten Teilkörper 56 sind kissenartig ausgebildet, wobei die zweiten Teilkörper 56 in Richtung vom Grundkörper 50 weg und auf das Substrat 2 zu ragen.
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Die Anordnung weist weiterhin einen Kühlkörper 4 auf, dessen Oberfläche mit einer wärmeleitenden Schicht 40 bedeckt ist auf der die leistungselektronische Schalteinrichtung 1, genauer deren Substrat 2, angeordnet ist. Die wärmeleitende Schicht 40 kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung eine sehr geringe Dicke aufweisen, die hier zwischen 5µm und 10µm beträgt. Grundsätzlich könnte auf die wärmeleitende Schicht 40 vollständig verzichtet werden. Dies ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere der Rauigkeit des Kühlkörpers 4.
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Alternativ und beispielhaft kann die Isolationslage 20 des Substrats 2 als eine elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein, die unmittelbar auf den Kühlkörper 4 laminiert ist. Auch in diesem Fall können die Leiterbahnen 22 als flächige Leitungselemente aus Kupfer ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weisen diese dann eine Dicke von 0,5mm bis 1,0mm auf.
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Die Anordnung weist weiterhin eine Druckeinleiteinrichtung 6 auf, die oberhalb der Verbindungseinrichtung 3 angeordnet ist und ein Federelement 600 aufweist, das in dieser Ausgestaltung mittig auf die Druckeinrichtung 5 drückt. Mittels dieser Druckeinleiteinrichtung 6, die sich, nicht dargestellt, gegen den Kühlkörper abstützt, wird Druck 60 auf den Druckkörper 50 eingeleitet. Dieser Druck 60 wird jeweils als Teildruck 62 mittels der Druckelemente 52 und deren Druckflächen 560 der zweiten Teilkörper 56 unmittelbar auf einen ersten Flächenabschnitt 360 der zweiten Hauptfläche 340 des Folienverbunds 3 übertragen. Dieser Flächenabschnitt 360 drückt nun mittelbar, unter Ausbildung der kraftschlüssigen Verbindung eine Kontaktfläche der ersten Hauptfläche 300 des Folienverbunds 3 auf eine zugeordnete Kontaktfläche 700 der zweiten Hauptfläche des Leistungshalbleiterbauelements 7. Dieser Flächenabschnitt 360 ist in Projektion entlang der Normalenrichtung N des Substrats 2 innerhalb der Fläche 760 des Leistungshalbleiterbauelements 7 angeordnet.
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Der eingeleitete Druck 60 drückt 68 weiterhin das gesamte Substrat 2 auf den Kühlkörper 4. Die beiden Druckkontakte, der elektrische leitende zwischen der Verbindungseinrichtung 3 und dem Leistungshalbleiterbauelement 7, wie auch zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 4 erfolgt jeweils in Normalenrichtung N des Substrats 2 und damit auch des Leistungshalbleiterbauelements 7. Somit wird einerseits eine hoch effiziente, mit äußerst geringem Übergangswiderstand behaftetet, kraftschlüssige und elektrisch leitende Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung 3 und dem Leistungshalbleiterbauelement 7 ausgebildet. Andererseits wird gleichzeitig eine ebenso effiziente thermisch leitende Verbindung zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 4 ausgebildet, die genau an derjenigen Stelle mit der höchsten Wärmeentwicklung, also dem Leistungshalbleiterbauelement 7, ihren wirksamsten Wärmeübertrag ausbildet, da hier in der Flucht die für den Druck ausübenden Druckkörper 50 angeordnet sind. Somit kann auf eine fachübliche großflächige, und schwierig dauerhaltbar herzustellende stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlkörper 4 verzichtet werden.
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8 und 9 zeigen jeweils in Schnittansicht eine erfindungsgemäße leistungselektronische Schalteinrichtung 1, wie sie ähnliche bereits in 7 dargestellt und beschrieben ist, in unmontiertem bzw. montiertem Zustand, d.h. in mit Druck beaufschlagtem Zustand auf die Druckeinrichtung 5.
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Dargestellt ist hier das Substrat 2, mit einer Isolierlage 20 und zwei Leiterbahnen 22. Auf der rechten Leiterbahn 22 ist ein Leistungshalbleiterbauelement 7, ausgebildet als eine Leistungsdiode, angeordnet und elektrisch leitend mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, hier einer Drucksinterverbindung 84, mit der Leiterbahn 22 verbunden.
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Das Leistungshalbleiterbauelement 7, genauer seine dem Substrat 2 abgewandte Kontaktfläche 700 der zweiten Hauptfläche, ist mittels einer Verbindungseinrichtung 3 mit der linken Leiterbahn 22 elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist die Verbindungseinrichtung 3 eine erste elektrisch leitende Folie 30 auf, wobei deren Kontaktfläche mit der korrespondierenden Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements 7 hier ausschließlich, allerdings damit nicht die Allgemeinheit einschränkend, mittels einer kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet ist.
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Die Ausbildung dieser kraftschlüssigen Verbindung erfolgt indem ein Teildruck 62 unmittelbar auf einen ersten Flächenabschnitt 360 der zweiten Hauptfläche 340 der Verbindungseinrichtung, hier des Folienverbunds 3, eingeleitet wird. Die jeweiligen Kontaktstellen der kraftschlüssigen Verbindung sind hier in bevorzugter Weise mit einer Goldoberfläche, insbesondere einer wenige Mikrometer dünnen Goldschicht, versehen, da diese beste Kontakteigenschaften und Übergangswiderstände aufweisen. Zudem weisen die jeweiligen Kontaktstellen der kraftschlüssigen Verbindung eine Rautiefe (Rz) von weniger als 5µm, insbesondere von weniger als 2µm, und einen Mittenrauwert (Ra) von weniger als 1µm, insbesondere von weniger als 0,5µm, jeweils bestimmt gemäß EN ISO 4287, auf.
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Die zweite Kontraktliche des Leistungshalbleiterbauelements 7 ist elektrisch leitend mit der linken Leiterbahn 22 verbunden. Hierzu reicht die erste Metallfolie 30 des Folienverbunds 3 von der Kontaktstelle mit dem Leistungshalbleiterbauelement 7 bis zu einer Kontaktstelle 222 der linken Leiterbahn 22. Die dortige Verbindung der Kontaktstelle 322 der Verbindungseinrichtung 3 mit der Kontaktstelle 222 der Leiterbahn 22 des Substrats 2 ist kraftschlüssig ausgebildet. Hierzu wird ein weiterer Teildruck 62 eines zugeordneten Druckkörpers 52 der Druckeinrichtung 5 auf die Kontaktstellen 222, 322 der Leiterbahn 22 und der Metallfolie 30 eingeleitet. Hierbei wird also auf einen zweiten Flächenabschnitt 362 der zweiten Hauptfläche 340 der Verbindungseinrichtung ein Teildruck 62 ausgeübt, wodurch eine Kontaktfläche 322 der ersten elektrisch leitenden Folie 30 auf die Kontaktfläche 222 der linken Leiterbahn 22 gedrückt und damit kraftschlüssig elektrisch leitend verbunden wird. 9 zweigt hierbei schematisch die Verformung des zweiten Teilkörpers 56 des Druckkörpers 52 unter Druckeinwirkung.
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Um den Höhenversatz 382 des ersten zum zweiten Flächenabschnitt 360, 362, der durch die Dicke des Leistungshalbleiterbauelements bedingt ist auszugleichen, weist, vgl. 1 und 2, der linke erste Teilkörper eine größere Höhe 582 auf, verglichen mit der Höhe 580 des rechten erste Teilkörpers. Es ist bevorzugt aber nicht zwangsläufig notwendig, dass die Höhendifferenz der beiden Teilkörper genau dem Höhenversatz 382 entspricht. Hier sind Unterschiede im Bereich bis 10%, meist auch bis 25%, durchaus tolerabel.
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Alternativ zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Kontaktstellen 222, 322 der Leiterbahn 22 und der Metallfolie 30 kann diese Verbindung auch als eine Drucksinterverbindung, oder als eine sonstige fachübliche Verbindung, ausgebildet sein.
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Die Verbindungseinrichtung 3 weist weiterhin eine elektrisch isolierende 32 und eine weitere elektrisch leitende Folie 34 auf, die zusammenwirkend die weitere schaltungsgereichte interne Verbindung der leistungselektronischen Schalteinrichtung 1 ausbilden. Hierbei sind auch Durchkontaktierungen 320 durch die elektrisch isolierende Folie 32 zwischen den elektrisch leitenden Folien 30, 34 dargestellt.
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Zudem weist die leistungselektronische Schalteinrichtung 1 noch einen, bevorzugt gelartigen, Isolierstoff 38 auf, der im Zwischenraum zwischen Substrat 2, Verbindungseinrichtung 3 und Leistungshalbleiterbauelement 7 angeordnet ist. Dieser dient der inneren elektrischen Isolation insbesondere derjenigen zwischen der ersten leitenden Folie 30 der Verbindungseinrichtung 3 zur rechten Leiterbahn 22 des Substrats 2.
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10 zeigt eine Draufsicht auf eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1 in verschiedenen Schnittebenen. Die Schnittebene gemäß 10a zeigt zwei Leistungshalbleiterbauelemente 7, die typisch aber nicht dargestellt auf einer gemeinsamen Leiterbahn eines Substrats angeordnet sind. Es handelt sich hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit um einen Transistor mit einer mittigen Gateanschlussfläche und diese umrahmende Emitteranschlussflächen und um eine Diode mit einer Kathodenanschlussfläche.
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10b zeigt die erste, in sich strukturierte, elektrisch leitende Folie 30 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Emitteranschlussflächen des Transistors und der Kathodenanschlussfläche der Diode aus. Hierbei wird die Gateanschlussfläche des Transistors ausgespart.
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10c zeigt die zweite in sich strukturierte elektrisch leitende Folie 34 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zur Gateanschlussfläche des Transistors.
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10d zeigt quasi den Fußabdruck der den Leistungshalbleiterbauelementen 7 zugeordneten Kontaktelementen der Kontakteinrichtung, wobei dem Transistor aufgrund seiner quadratischen Grundform nur ein Kontaktelement und der Diode aufgrund ihrer rechteckigen Grundform zwei Kontaktelemente zugeordnet sind. Der jeweilige Fußabdruck entspricht denjenigen ersten Flächenabschnitten 360 auf der zweiten Hauptfläche 340 der Verbindungseinrichtung 3, die in Normalenrichtung fluchtend zu den Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet sind und hierbei auf das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement projiziert sind. Hierbei wird ersichtlich, dass die Fläche des Fußabdrucks, also diejenige Fläche die zur Druckeinleitung bestimmt ist, einen möglichst großen Teil der Fläche des Leistungshalbleiterbauelement abdeckt, ohne über diese hinauszugehen.
