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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
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In der Leistungselektronik ist es bekannt, Schaltmodule einzusetzen, welche Halbleiterbauelemente mit einer Emitterseite und einer Kollektorseite aufweisen. Solche Schaltmodule sind regelmäßig mittels einer Aufbau- und Verbindungstechnologie aufgebaut, welche Bonddrähte umfasst. Im Fehlerfall, beispielsweise im Falle eines Abschaltversagens, sind solche Schaltmodule nicht sicher elektrisch leitfähig. Insbesondere kann es im Fehlerfall zum Ablösen von Bonddrähten und zum Zünden eines Lichtbogens und folglich zu einem Kollateralschaden im Leistungsmodul kommen. Es ist bekannt, zu diesem Zweck Kurzschließer vorzusehen, welche einen elektrischen Leitungspfad zwischen einem auf Emitterpotenzial befindlichen Teil des Leistungsmoduls und einem auf Kollektorpotenzial befindlichen Teil des Leistungsmoduls bereitstellen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Leistungsmodul bereitzustellen, welches im Fehlerfall einen solchen elektrischen Leitungspfad bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen oder mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist mindestens einen Leistungshalbleiter auf, an welchem ein erster und ein zweiter Schaltkontakt leitend angebunden sind. Dabei sind erster und zweiter Schaltkontakt aufeinander zu kraftbeaufschlagt und voneinander mittels eines Abstandhalters beabstandet, welcher mit einem Material mit einem niedrigeren Schmelzpunkt oder mit einer niedrigeren Erweichungstemperatur als jener des Halbleitermaterials des Leistungshalbleiters gebildet ist. Erster und zweiter Schaltkontakt sind voneinander mittels eines Isoliermaterials elektrisch isoliert, wobei das Isoliermaterial mittels des ersten Schaltkontakts beim Schmelzen oder Erweichen des Abstandhalters durchdringbar ist. Auf diese Weise kann im Fehlerfall der Abstandshalter erweichen oder schmelzen. Da erster und zweiter Schaltkontakt aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, kann der erste Schaltkontakt dann im Fehlerfall das Isoliermaterial durchdringen und auf den zweiten Schaltkontakt drücken. Durch Druck und Hitze können dann im Fehlerfall erster und zweiter Schaltkontakt einen elektrischen Leitungspfad bilden. Da erster und zweiter Schaltkontakt mit dem Leistungshalbleiter verbunden sind, wird dieser elektrisch überbrückt (sog. „Conduct-on-Fail“, also ein Leitungskontakt im Fehlerfall). Zweckmäßigerweise sind erster und zweiter Schaltkontakt mit je einer Emitter- oder Kollektorseite des Leistungshalbleiters elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise ist ein Kurzschluss zwischen Emitterseite und Kollektorseite des Leistungshalbleiters gewährleistet. Zweckmäßigerweise ist der erste Schaltkontakt mit einem Gehäusedeckel des Leistungshalbleiters und der zweite Schaltkontakt mit einem Gehäuseboden des Leistungshalbleiters verbunden. Alternativ können auch der zweite Schaltkontakt mit einem Gehäusedeckel des Leistungsmoduls und der erste Schaltkontakt mit dem Gehäuseboden des Leistungmoduls verbunden sein. Anstelle eines ersten und eines zweiten stets elektrisch leitend an den Leistungshalbleiter angebundenen Schaltkontakts können erster und/oder zweiter Schaltkontakt auch lediglich an den Leistungshalbleiter elektrisch anbindbar ausgebildet und angeordnet sein, sodass die leitende Anbindung des ersten und/oder zweiten Schaltkontakts im Fehlerfall, also bei oder nach Erweichen und/oder Schmelzen des Abstandshalters, erfolgt.
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Es versteht sich, dass erster und zweiter Schaltkontakt jeweils Bestandteile des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls bilden.
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Zweckmäßigerweise ist der erste Schaltkontakt spitzen- und/oder nadelförmig und/oder kegelförmig und/oder pyramidenförmig und/oder kantenförmig, insbesondere schneidkantenförmig, ausgebildet. Infolge dieser Ausbildung des ersten Schaltkontakts kann dieser das Isoliermaterial leicht durchdringen, indem dieses eine hinreichend weiches Isoliermaterial verdrängt oder schneidet. Zweckmäßigerweise kann der erste Schaltkontakt mittels des PVD-Verfahrens und/oder mittels Galvanik und/oder mittels Trocken- und/oder Nassätzens und/oder mittels thermischen Metallspritzens, insbesondere mittels Kupfersprühens und/oder mittels mechanischen Schneidens und/oder mittels sonstiger Verfahren gebildet sein. Zweckmäßigerweise ist der erste Schaltkontakt mittels eines elektrisch leitfähigen Metalls, insbesondere mittels Kupfers und/oder Silbers und/oder Aluminiums und/oder Nickels und/oder Molybdäns und/oder mittels metallischer Verbindungen, insbesondere mittels Lote, und/oder Halbleitern, insbesondere dotiertes Silizium, gebildet. Geeigneterweise weist der erste Schaltkontakt eine, verglichen mit einem oder mehreren übrigen Materialien des ersten Schaltkontakts, harte Beschichtung auf, insbesondere eine mit Nickel oder einer oder mehrerer Keramiken gebildeten Beschichtung, welche nicht zwangsläufig elektrisch leitfähig sein muss. Infolge der Kraftbeaufschlagung von erstem und zweitem Schaltkontakt aufeinander zu kann bei einem späteren mechanischen Kontakt die Beschichtung aufbrechen und somit einen elektrischen Kontakt herstellen.
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Geeigneter Weise sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der oder zumindest ein Abstandshalter und erster Schaltkontakt miteinander einstückig ausgebildet. Insbesondere bilden erster Schaltkontakt und Abstandshalter eine stumpfe Seite oder Flachseite aus, welche dem Isoliermaterial zugewandt ist. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise die Ausbildung einer Feldspitze verhindern, indem der Abstandshalter und der erste Schaltkontakt gemeinsam leitfähig ausgebildet sind. Entsprechend liegen erster Schaltkontakt und Abstandshalter auf gleichem Potenzial. Folglich ist die Durchschlagsfestigkeit des Isoliermaterials erhöht. Somit ist eine Ausbildung des Isoliermaterials mit kleinerer Dichte möglich.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist das Isoliermaterial mit einer hinreichend hohen Eindringeigenschaft oder einer hinreichend hohen elektrischen Isolation ausgebildet, insbesondere mit mindestens 20 kV/mm, besonders bevorzugt mindestens 100 kV/mm und insbesondere mit mindestens 200 kV/mm, was sich mittels der Dicke des Isoliermaterials einstellen lässt. Zweckmäßigerweise ist das Isoliermaterial mit einer Dicke von mindestens 10 µm und/oder höchstens 5000 µm gebildet. Geeigneterweise ist das Isoliermaterial mittels eines oder mehrerer keramischer Stoffe und/oder mittels Polymeren und/oder mittels Siloxanen gebildet. In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist das Isoliermaterial derart ausgebildet, dass es im Fehlerfall einen flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand einnimmt und aus den Leistungsmodul entweichen kann. Besonders bevorzugt wird als Isoliermaterial ein solches Material herangezogen, wie es bei der Fertigung in der Aufbau- und Verbindungstechnologie des Leistungshalbleiters des Leistungsmoduls zum Einsatz kommt. Besonders bevorzugt ist das Leistungsmodul im Übrigen aufgebaut wie in der Druckschrift
DE 10 2014 207 927 A1 beschrieben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt,
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2 eine Einzelheit des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls gemäß 1 schematisch im Querschnitt,
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3 die Einzelheit gemäß 2 im Fehlerfall schematisch im Querschnitt,
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4 einen Gehäusedeckel des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls gemäß 1 schematisch in einer Draufsicht,
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5 einen Gehäusedeckel eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch in einer Draufsicht,
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt sowie
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt.
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Das in den 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Leistungsmodul 10 weist einen ersten Gehäuseteil 20 auf, welcher einen sich im Wesentlichen sich flächig erstreckenden und kreisrunden Gehäuseboden 30 umfasst. Auf dem Gehäuseboden 30 ist eine sich ebenfalls im Wesentlichen flächig erstreckende und kreisrunde Substratplatte 40 mit Halbleiterchips 45 vollflächig aufgebracht.
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Fern der Substratplatte 40 und nah an einer äußeren Flachseite 50 des Gehäusebodens 30 ragt an dem Gehäuseboden 30 ein kreisringförmiger Vorsprung 60 radial nach außen aus. Von dem Vorsprung 60 streckt sich eine Gehäusewand 70 aus Keramik in der Art einer Zylindermantelfläche fort, die die Substratplatte 40 umfänglich umgibt und radial von der Substratplatte 40 beabstandet ist.
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Das Leistungsmodul 10 weist zudem einen Gehäusedeckel 100 auf, welcher mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 100 weist einen verglichen mit der Substratplatte 40 größeren Querschnitt auf und ist angeordnet, die Substratplatte vollständig zu bedecken.
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Der Gehäusedeckel 100 liegt mit radial außen liegenden Abstandshaltern 120 auf dem Gehäuseboden 30 auf. Die Abstandshalter 120 sind elektrisch leitend ausgebildet und elektrisch über planare Verbindungstechnik (im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Bonddrähten 129) an die Emitterseite der Halbleiterchips 45 angebunden. Ein Spannverband (nicht im Einzelnen, lediglich mittels Pfeilen 127, dargestellt) drückt den Gehäusedeckel 100 auf den Gehäuseboden 30 auf. Der Spannverband 127 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Druckfeder realisiert, die den Gehäusedeckel 100 auf den Gehäuseboden 30 drückt. Die Abstandshalter 120 sind mittels planarer Aufbau- und Verbindungstechnik 129 im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels der SiPLIT-Technologie des Unternehmens Siemens, mit der Emitterseite der Halbleiterchips 45 verbunden.
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Radial innenliegend von den Abstandshaltern 120 weist der Gehäusedeckel 100 eine Durchstechanordnung 140 auf (s. insbesondere Einzelheit 200 gem. 2 und 3). Die Durchstechanordnung 140 ist in dem Ausführungsbeispiel, welches in den 1 bis 4 dargestellt ist, als erhabene kreisringförmige Kante 142 ausgebildet (s. 4), die sich von der dem Gehäuseboden 30 zugewandten Flachseite des Gehäusedeckels 100 auf den Gehäuseboden 30 zu fort streckt und mit festen Abstand zu einem radialen Außenrand des Gehäusedeckels 100 an diesem umläuft. Die Durchstechanordnung 140 bildet einen ersten Schaltkontakt im Sinne dieser Anmeldung. Die kreisringförmige Kante weist einen Querschnitt (d.h. einen Schnitt in radialer Richtung) in der Gestalt eines gleichschenkligen Dreiecks auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Durchstechanordnung aus Kupfer gebildet. Im Weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Durchstechanordnung alternativ oder zusätzlich mit einem anderen Material, insbesondere Silber, Aluminium, Nickel, Molybdän und/oder einer metallischen Verbindung, insbesondere Lotmaterial und/oder einem Halbleiter, insbesondere dotiertem Silizium, gebildet.
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An radial übereinstimmender Stelle ist an der Substratplatte 40 eine an die Kollektorseite der Halbleiterchips 45 elektrisch angebundene Kontaktfläche 150 mit einer Isolationsschicht 160 angeordnet. Die Isolationsschicht 160 ist mittels der Durchstechanordnung 140 durchstechbar.
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Im Fehlerfall wird zwischen Gehäusedeckel 100 und Gehäuseboden 30 rasch Wärme frei, welche die Abstandshalter 120 schmilzt oder erweicht. Infolge der schmelzenden oder erweichenden Abstandshalter 120 besteht eine abstandshaltende Kraft, welche sich der Spannkraft des Spannverbandes entgegenstellt. Folglich wird die Durchstechanordnung 140 auf die Isolationsschicht 160 über der Kontaktfläche 150 zubewegt. Die Durchstechanordnung 140 durchsticht (3) die Isolationsschicht 160 und stellt eine leitende Verbindung zwischen Kollektor- und Emitterseite der Halbleiterchips 45 her.
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Dabei muss die Durchstechanordnung 140 nicht wie in 1 bis 4 dargestellt, mit kreisringförmiger Kante 142 realisiert sein. So kann die Durchstechanordnung 140 auch, wie in 5 dargestellt, entlang eines Kreisrings angeordnete Abfolge von pyramidenförmigen oder kegelkreisförmigen Strukturen, welche sich jeweils mit einem spitzen Ende 143 von dem Gehäusedeckel 100 fortstrecken, realisiert sein.
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Während in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen die Abstandshalter 120 mittels planarer Aufbau- und Verbindungstechnik 129 an die Emitterseite der Halbleiterchips 45 angebunden sind, ist in den 6 dargestellten Ausführungsbeispiele eine Anbindung mittels Bonddrähten 134 realisiert. Im Übrigen entspricht das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel den in 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Grundsätzlich müssen die Abstandshalter 120 dabei radial nicht wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen außen von der Durchstechanordnung liegen. Vielmehr können die Durchstechanordnungen 140 in einem weiteren Ausführungsbeispiel radial weiter außen angeordnet sein als die Abstandshalter 120.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel (7) ist die Durchstechanordnung 140' mit einem Abstandshalter 120' einstückig ausgebildet. Dazu ist die Durchstechanordnung 140' als pyramiden- oder kegelförmige spitze Struktur ausgebildet, welche sich vom Gehäusedeckel 100 mit ihrem spitzen Ende fortstreckt. Die Durchstechanordnung 140 ist mit einem Lot mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Material der Durchstechanordnung 140 zu einem zylindrischen Abstandshalter vergossen oder lose zusammengesetzt, sodass die Spitze der Durchstechanordnung 140 im Lot verborgen ist. Die Durchstechanordnung 140' 140' bildet gemeinsam mit dem Abstandshalter 120' in der einstückigen Ausbildung eine Flachseite aus, welche der Isolationsschicht 160 zugewandt ist. Im Fehlerfall schmilzt das Lot auf, sodass die Spitze zum Vorschein kommt und wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Isolationsschicht 160 durchsticht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207927 A1 [0009]
