DE102017123109B4 - Leistungselektronikmodul - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronikmodul (1), vorzugsweise für elektromechanische Flugsteuersysteme, umfassend:mindestens ein erstes Substrat (2) mit darauf aufgebrachten Leiterbahnen,mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (3) und mindestens einen Stromsensor (31), die durch Sintern oder Löten auf dem ersten Substrat (2) angeordnet sind,ein zweites Substrat (4), das durch Sintern oder Löten mit dem ersten Substrat (2) verbunden ist,eine erste Leiterkarte (5), die auf dem zweiten Substrat (4) befestigt ist und mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist, wobei die erste Leiterkarte (5) mindestens eine Aussparung (6) aufweist, in der das erste Substrat (2) mit dem mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (3) und dem mindestens einem Stromsensor (31) angeordnet ist, undeine zweite Leiterkarte (12), die beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist und oberhalb der ersten Leiterkarte (5) auf der ersten Leiterkarte angeordnet ist, und mittels mindestens eines Federkontakts (13) punktuell mit der ersten Leiterkarte elektrisch verbunden ist, wobei der Federkontakt (13) auf der Unterseite der zweiten Leiterkarte (12) oder der Oberseite der ersten Leiterkarte (5) gelötet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul, vorzugsweise ein Leistungselektronikmodul für elektromechanische Flugsteuerungssysteme, sowie einen elektromechanischen Antrieb eines Flugsteuerungssystems mit einem solchen Leistungselektronikmodul.
  • Leistungselektronikmodule, insbesondere solche, die bei elektromechanischen Flugsteuerungssystemen verwendet werden, unterliegen strengen elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen. Zudem ist es für ein Leistungselektronikmodul von Vorteil, wenn es kompakte Ausmaße aufweist.
  • Derzeit ist es bei der Fertigung von Leistungselektronikmodulen üblich, dass Halbleitermodule von Zulieferern gekauft und in ein Gesamtsystem integriert werden. Dabei werden die kommerziell verfügbaren Halbleitermodule für das spezifische Anwendungsgebiet modifiziert, indem beispielsweise zusätzlich weitere Treiberschaltungen, Zwischenkreiskondensatoren, Strom- und Spannungsmessungen verschaltet werden. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der Aufbau- und Verbindungstechnik, einer zeitaufwendigen Montage und vergrößert das Ursprungsvolumen sowie das Gewicht des fertigen Leistungselektronikmoduls.
  • Nachfolgend werden einige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen vorgestellt. Aus der DE 10 2004 021 122 A1 ist eine Anordnung bekannt, in der eine elektrische Verbindung zwischen einem Leistungshalbleitermodul und einer Leiterkarte mit Federkontakten erfolgt. Jedoch benötigt diese Anordnung ein aufwendig ausgeformtes, rahmenartiges Kunststoffgehäuse, an dessen Deckfläche mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, durch die Kontaktfedern hindurchragen können und eine elektrische Verbindung zu der Leiterkarte herstellen können.
  • Die DE 10 2005 016 650 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, in dem die nach außen führenden Anschlusselemente Metallformteile aus Kupfer sind. Die Anschlusselemente sind einerseits mit den zugeordneten Leiterbahnen des Substrats verbunden und weisen an der davon abgewandten Seite Schraubkontakte auf. Weiterhin werden Kontaktfedern zur Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen des Substrats und der Leiterkarte verwendet. Die Kontaktfedern befinden sich in den Ausformungen des Gehäuses, die zwecks der Positionierung und Fixierung der Federn vorgesehen sind.
  • Die amerikanische Patentanmeldung US 2014/0146487 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, in dem die Verbindung zwischen den zwei Substraten durch elastische Kontaktpins erfolgt, wobei die Kontaktpins nicht auf die Leiterkarte gelötet werden. Um die Kontaktpins zwischen den zwei Substraten zu positionieren, werden diese in einen zusätzlichen Rahmen eingesteckt. Im Anschluss daran führt ein Zusammenschrauben der beiden Substrate zu einer Distanzverringerung zwischen ihnen, sodass die elastischen Kontaktpins eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Substraten ermöglichen können.
  • Die DE 197 35 074 A1 offenbart ein Leistungselektronikmodul mit einer Leiterplatte, die Aussparungen aufweist, in denen Leistungshalbleiterbauelemente jeweils auf einer isolierenden Diamantschicht angeordnet sind. Die isolierende Diamantschicht ist mit einem hoch-wärmeleitenden Träger verbunden.
  • Aus den US 6 362 964 B1 und US 6 424 026 B1 sind ebenfalls Leistungselektronikmodule bekannt, welche jeweils Leiterplatten mit Aussparungen aufweisen, in denen Leistungshalbleiterbauelemente auf einem ersten Substrat angeordnet sind. Das erste Substrat kann auf einer sockelartigen Erhebung eines als Wärmesenke fungierenden zweiten Substrats befestigt sein.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungselektronikmodul vorzusehen, das bei einer kompakten Bauweise und gleichzeitig einfachem Aufbau die elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen auch in rauer Umgebung erfüllt. Zudem soll das Leistungselektronikmodul leicht und kompakt herstellbar sein. Beispielsweise wären hierbei die Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu nennen, da in dieser ein ganz besonderes Augenmerk auf die vorstehend aufgeführten Anforderungen gelegt wird. Weiter ist es ein Ziel, die im Stand der Technik zeitaufwendige Montage bei Leistungselektronikmodulen sowie die Volumen- und Gewichtserhöhung abzumildern.
  • Dies gelingt mit einem Leistungselektronikmodul, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Demnach weist das Leistungselektronikmodul mindestens ein erstes Substrat mit darauf aufgebrachten Leiterbahnen, mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement und mindestens ein Stromsensor, die durch Sintern oder Löten auf dem ersten Substrat angeordnet sind, ein zweites Substrat, das durch Sintern oder Löten mit dem ersten Substrat verbunden ist, eine erste Leiterkarte, die auf dem zweiten Substrat befestigt ist, und eine zweite Leiterkarte, die mit der ersten Leiterkarte durch die daruf gelöteten Federkontakte elektrisch verbunden ist, auf. Das Leistungselektronikmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterkarte mindestens eine Aussparung aufweist, in der das erste Substrat mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und mindestens einen Stromsensor angeordnet ist, und die zweite Leiterkarte als Logikteil mittels Federkontakte mit der ersten Leiterkarte elekterisch verbunden ist, und die zweite Leiterkarte vorteilhafterweise beidseitig bestückt ist.
  • Aufgrund der Aussparung der Leiterkarte und die spezifische Anordnung des ersten Substrats in dieser Aussparung, wobei sowohl die Leiterkarte als auch das erste Substrat an dem zweiten Substrat befestigt sind, ist es möglich, die Verbindung von dem typischerweise auftragsgefertigten ersten Substrat mit darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen schnell und effektiv auszuführen. Gleichzeitig wird jedoch dabei auch eine besonders kompakte Ausgestaltung eines Leistungselektronikmoduls geschaffen, da das erste Substrat und die Leiterkarte im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
  • Das erste Substrat ist mit dem zweiten Substrat thermisch gekoppelt aber davon elektrisch isoliert.
  • Das zweite Substrat ist an einer flächigen Seite des ersten Substrats verbunden und das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement und ein Stromsensor sind auf der anderen davon abgewandten flächigen Seite darauf angeordnet. Dadurch ergibt sich also ein Aufbau, in dem das erste Substrat zwischen dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement und dem zweiten Substrat angeordnet ist, vorzugsweise unmittelbar dazwischen angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist die erste Leiterkarte thermisch und elektrisch von dem zweiten Substrat isoliert, wobei die erste Leiterkarte vorzugsweise mittels eines elektrisch und thermisch isolierenden Klebstoffs oder einer Klebefolie auf dem zweiten Substrat befestigt ist. Dadurch wird verhindert, dass eine von den Leistungshalbleiterbauelementen erzeugte Wärme über das erste Substrat und das zweite Substrat an die erste Leiterkarte weitergegeben wird.
  • Vorzugsweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen der Leiterkarte und dem in der Aussparung der Leiterkarte angeordneten ersten Substrat und/oder dem mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement bzw. Stromsensor durch eine flexible elektrisch leitfähige Verbindung vorgesehen ist, wobei diese flexible elektrisch leitfähige Verbindung insbesondere durch ein Drahtbonding und/oder eine gesinterte Leiterbahnfolie umgesetzt werden kann. Diese flexible elektrisch leitfähige Verbindung erleichtert die Zusammenführung des mit den Leistungshalbleiterbauelementen versehenen ersten Substrats mit der Leiterkarte. Zudem ergeben sich sehr geringe parasitäre Induktivitäten bei der Nutzung von punktueller Kontaktierung zwischen den auf dem ersten Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen und einer auf der Leiterkarte anordenbaren Treiberschaltung und/oder Bauelemente.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführung hat die erste Leiterkarte mindestens eine Kontaktfläche für Federkontakte und ist mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe bestückt, wobei vorzugsweise eine elektronische Funktionsgruppe eine Spannungsmessung, eine Temperaturmessung, eine Messdatenauswertung, ein Zwischenkreiskondensator, ein Leistungsanschluss, ein Signalanschluss, eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Gerät, eine ESD-Schutzschaltung, eine Schutzschaltung aufgrund einer Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung, und/oder eine Spannungsversorgungseinheit für das Leistungselektronikmodul ist.
  • Vorzugsweise ist neben der bereits vorstehend eingeführten ersten Leiterkarte eine zweite Leiterkarte vorhanden, die beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe bestückt ist und oberhalb der ersten Leiterkarte auf der zum zweiten Substrat abgewandten Seite der ersten Leiterkarte angeordnet ist.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführung hat die zweite Leiterkarte mindestens eine Kontaktfläche für Federkontakte und ist beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe bestückt, wobei vorzugsweise eine elektronische Funktionsgruppe eine Treiberschaltung oder Treiberstufe, eine Messdatenauswertung, eine elektronische Steuerung, insbesondere in Form eines Mikrokontrollers, eines DSPs oder eines FPGAs, ein Signalanschluss, eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Gerät, eine ESD-Schutzschaltung, eine Schutzschaltung aufgrund einer Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung, eine Treiberschaltung und/oder eine Spannungsversorgungseinheit für das Leistungselektronikmodul ist.
  • Dabei ist möglich, dass das Leistungselektronikmodul ferner einen Federkontakt zum punktuellen elektrischen Verbinden der ersten Leiterkarte und der zweiten Leiterkarte aufweist. Die Nutzung der Federkontakte zur punktuellen Kontaktierung ermöglicht einen niederinduktiven Schaltungspfad zwischen den auf dem ersten Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen und einer auf der zweiten Leiterkarte anordenbaren Treiberschaltung, und führt zu einer Reduzierung der elektromagnetischen Störungen. Weiterhin führt die Nutzung der Federkontakte zu einem Dämpfen von Schwingungen zwischen der ersten Leiterkarte und der zweiten Leiterkarte.
  • Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung umfasst der Federkontakt eine Hülse und einen bewegbaren Kontaktstift, der zusammen mit einer Feder in der Hülse angeordnet ist, und wobei die Hülse auf einer der beiden Leiterkarten angelötet ist und der Kontaktstift eine auf der Oberfläche der anderen Leiterkarte angeordnete Kontaktfläche kontaktiert.
  • Das einseitige Anlöten der Hülse vereinfacht dabei die Montage der übereinander angeordneten zwei Leiterkarten. Ist die Hülse des Federkontakts auf der einen Leiterkarte angeordnet und ragt der mit der Feder in Verbindung stehende Kontaktstift aus der Hülse heraus, so genügt ein Verringern des Abstands zwischen den zwei Leitkarten zum Herstellen einer elektrischen Verbindung über den Federkontakt. Dies wird typischerweise beim Verbinden der beiden Leiterkarten miteinander erreicht.
  • Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung entsprechen die maximalen Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung der zweiten Leiterkarte denen der ersten Leiterkarte und es ist ein Kunststoffrahmen vorgesehen, der für eine Befestigung zwischen dem zweiten Substart, der ersten Leiterkarte und der zweiten Leiterkarte dient, wobei vorzugsweise der Kunststoffrahmen in einem Randbereich der durch die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung definierten Fläche umlaufend ausgebildet ist und etwa bündig zur ersten Leiterkarte und/oder zweiten Leiterkarte abschließt.
  • Ferner kann nach der Erfindung das zweite Substrat eine sockelartige Erhebung aufweisen, auf der das erste Substrat durch Sintern oder Löten mit dem zweiten Substrat verbunden ist und wobei vorzugsweise die Höhe der sockelartigen Erhebung in einem Bereich liegt, der 2 bis 30 mm, bevorzugterweise 5-20 mm umfasst.
  • Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Leiterkarte auf der sockelartigen Erhebung des zweiten Substrats befestigt ist, vorzugsweise mit Hilfe eines Klebstoffs, der mit einem die Aussparung umlaufenden Randbereich der Leiterkarte zusammenwirkt, oder einer Klebefolie, die mit dem die Aussparung umlaufenden Randbereich der Leiterkarte zusammenwirkt.
  • Indem sowohl das erste Substrat als auch die Leiterkarte an der sockelartigen Erhebung befestigt sind, ergibt sich außerhalb der sockelartigen Erhebung des zweiten Substrats ein Freiraum zwischen der Leiterkarte und dem zweiten Substrat, der beispielsweise für eine dem zweiten Substrat zugewandten Bestückung der Leiterkarte genutzt werden kann.
  • Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung weist die sockelartige Erhebung eine ebene Fläche auf, die größer als die Fläche der Aussparung der Leiterkarte ist und vorzugsweise kleiner ist als die durch die Abmessungen der Leiterkarte in Längen- und Breitenrichtung beanspruchte Fläche, sodass in den zur sockelartigen Erhebung abgesetzten Bereichen des zweiten Substrats Raum für eine beidseitige Bestückung der Leiterkarte ist.
  • Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist die Leiterkarte beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe bestückt, wobei vorzugsweise eine elektronische Funktionsgruppe eine Spannungsmessung, eine Temperaturmessung, eine Messdatenauswertung, ein Zwischenkreiskondensator, eine elektronische Steuerung, insbesondere in Form eines Mikrokontrollers, eines DSPs oder eines FPGAs, ein Leistungsanschluss, ein Signalanschluss, einer Treiberstufe, ein Stromsensor, eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Gerät, eine ESD-Schutzschaltung, eine Schutzschaltung aufgrund einer Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung, eine Treiberschaltung und/oder eine Spannungsversorgungseinheit für das Leistungselektronikmodul ist.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung des zweiten Substrats denen der Leiterkarte in etwa entsprechen und/oder ein Kunststoffrahmen vorgesehen ist, der für eine weitere Befestigung zwischen der Leiterkarte und dem zweiten Substrat dient, wobei vorzugsweise der Kunststoffrahmen in einem Randbereich der durch die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung definierten Fläche umlaufend ausgebildet ist und etwa bündig zur Leiterkarte und zweitem Substrat abschließt.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen elektromechanischen Antrieb eines Flugsteuerungssystems mit einem Leistungselektronikmodul nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Diskussion der Figuren ersichtlich. Dabei zeigt:
    • 1: eine Draufsicht auf die erste Leiterkarte einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls,
    • 2: eine Schnittansicht des Leistungselektronikmoduls entlang der Linie A-A in 1,
    • 3: eine Draufsicht auf die zweite Leiterkarte einer ersten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls,
    • 4: eine Draufsicht auf die Leiterkarte der zweiten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls, und
    • 5: eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 4.
  • 1 zeigt die Draufsicht auf eine erste Leiterkarte 5 einer ersten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls 1. Die erste Leiterkarte 5 besitzt eine Aussparung 6, in der das erste Substrat 2 mit darauf angeordneten Leistungshalbleiterelementen 3 und Stromsensoren 31 angeordnet sind. Man erkennt zudem die elektrischen Verbindungen 8, die in der spezifischen Ausgestaltung durch Bonddrähte verwirklicht sind. Diese Bonddrähte verbinden ein auf der Leiterkarte 5 angeordnetes Bondingpad mit einem Leistungshalbleiterbauelement 3 und einem Stromsensoren 31 oder einer nicht dargestellte Leiterbahn des ersten Substrats 2. Typischerweise bestehen die Leiterbahnen dabei aus Kupfer. Zudem sind Funktionsgruppen 9 auf der Leiterkarte 5 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls 1 entlang der Linie A-A. Das zweite Substrat 4 weist dabei eine flache Fläche auf, auf der das erste Substrat 2 durch Löten oder Sintern befestigt ist. Das erste Substrat 2 weist Leistungshalbleiterbauelemente 3 wie einen IGBT, einen MOSFET oder Thyristoren und Stromsensoren 31 auf. Auf dem zweiten Substrat 4 ist die Leiterkarte 5 über einen Klebstoff 7, der zur thermischen und zur elektrischen Isolierung Isolierung zwischen der Leiterkarte 5 und dem zweiten Substrat 4 beiträgt, befestigt. Dabei nimmt die Aussparung 6 der Leiterkarte 5 das erste Substrat 2 so auf, dass das erste Substrat 2 umlaufend von der Leiterkarte 5 umgeben ist. Das erste Substrat 2 ist demnach in der Aussparung der Leiterkarte 5 aufgenommen oder angeordnet. Das erste Substrat 2 und die Leiterkarte 5 befinden sich dabei etwa in derselben Ebene.
  • Auf der dem zweiten Substrat 4 abgewandten Seite der ersten Leiterkarte 5 ist die zweite Leiterkarte 12 mit gewissem Abstand angeordnet. Um eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterkarten 5, 12 herzustellen, sind die Federkontakte 13 vorgesehen, die eine Hülse 14, eine Feder 16 und einen Kontaktstift 15 aufweisen. Die Hülse 14 lässt sich dabei an einer Kontaktfläche einer Leiterkarte 5, 12 festlöten und mit dem aus der Hülse 14 herausragenden federnden Kontaktstift 15 in eine elektrische Verbindung mit der Kontaktfläche 18, 19 der anderen Leiterkarte 5, 12 bringen. Diese Federkontakte 13 haben neben dem Erstellen einer elektrisch leitenden Verbindung auch einen positiven Einfluss auf elektromagnetische Störungen und eventuell auftretende Schwingungen zwischen den beiden Leiterkarten 5, 12, die gedämpft werden können.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Leiterkarte 12, die in einer Schnittansicht auch in 2 dargestellt ist. Gestrichelt sind die auf der zur ersten Leiterkarte 5 zugewandten Kontaktflächen 18, 19 dargestellt, an die eine Hülse 14 eines Federkontakts 13 angelötet werden kann oder die Spitze eines Kontaktstifts 15 aufliegen kann. Ferner sieht man, dass die zweite Leiterkarte 12 auch Ausnehmungen besitzen kann, um eine Anschlussmöglichkeit zu auf der ersten Leiterkarte 5 befindlichen Anschlüssen, wie beispielsweise Leistungsanschlüsse oder dergleichen, zu ermöglichen.
  • Das Modul umfasst dabei hauptsächlich folgende Baugruppen:
    • - Wenigstens ein erstes elektrisch isolierendes aber thermisch leitendes Substrat 2, worauf Leiterbahnen aus Kupfer aufgebracht sind.
    • - Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 (IGBT, MOSFETs, Thyristoren, ...) sind auf dem ersten Substrat 2 gelötet oder gesintert.
    • - Die Stromsensoren 31 sind auf dem ersten Substrat gelötet oder gesintert.
    • - Eine erste Leiterkarte 5 mit mindestens einer Aussparung 6, in der das erste Substrat 2 und die darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelemente 3 und Stromsensoren 31 angeordnet sind. Auf der ersten Leiterkarte 5 befinden sich die Funktionsgruppen 9 wie Spannungsmessung, Temperaturmessung sowie Leistungs- und Signalanschlüsse.
    • - Ein zweites Substrat 4, auf das das erste Substrat 2 und die darauf befindlichen Bauelemente 3 und 31 sowie die erste Leiterkarte 5 angeordnet sind.
    • - Eine zweite Leiterkarte 12, die die Treiberbeschaltung, DC/DC-Wandlung für die Spannungsversorgung der Treiberbeschaltung sowie die Spannungsversorgungseinheit, die Messdatenauswertung, elektronische Steuerung (Mikro-Controller, DSP oder FPGA) und die Schnittstellen zu den übergeordneten Geräten beinhaltet. Auf der zweiten Leiterkarte 12 befinden sich weiterhin die Federkontakte 13, die auf die vorgesehenen Kontaktflächen 18 gelötet sind. Diese dienen zur punktuellen elektrischen Verbindung zwischen der ersten 5 und zweiten Leiterkarte 12, um einen niederinduktiven Schaltungspfad und folglich eine reduzierte elektromagnetische Störung zu ermöglichen. Des Weiteren dienen sie als Schwingungsdämpfer für die zweite Leiterkarte 12.
  • Nachfolgend werden der Aufbau und die Konfiguration dargestellt. Wenigstens ein erstes Substrat 2 (einschl. der gelöteten Leistungsbauelemente) ist auf das zweite Substrat 4 gelötet oder gesintert und ist mit dem zweiten Substrat 4 thermisch gekoppelt, aber elektrisch isoliert.
  • Die erste Leiterkarte 5 ist auf das zweite Substrat 4 mittels Klebstoff 7 oder Klebefolie befestigt und ist thermisch und elektrisch von dem zweiten Substrat 4 isoliert.
  • Die erste Leiterkarte 5 beinhaltet Zwischenkreiskondensatoren, Temperaturmessung, Spannungsmessung und die Leistungsanschlüsse DC-Eingang und AC-Ausgänge als Schraubkontakte 91 und/oder Stecker mit SMT-Ausführung und/oder anderen Ausführungen.
  • Weiterhin beinhaltet die erste Leiterkarte 5 weitere Beschattungen, die eine Zerstörung der Leistungshalbleiter durch ESD oder Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung verhindern sollen. Diese Leiterkarte 5 ist nur einseitig bestückt und ist elektrisch und thermisch von dem zweiten Substrat 4 entkoppelt.
  • Die Leistungsbauelemente und Stromsensoren werden mittels der Bonddrähte 8 oder gesinterten flexiblen Leiterbahnfolie 8 mit den weiteren Beschattungen auf der ersten Leiterkarte elektrisch verbunden.
  • Stromsensoren können als andere Variante auf die erste Leiterkarte aufgebracht werden.
  • Die zweite Leiterkarte 12 ist mittels Federkontakte 13 mit der ersten Leiterkarte 5 elektrisch verbunden. Solche Federkontakte 13 bestehen aus einer Hülse 14 und einem beweglichen Teil 15, der-zusammen mit einer Feder 16 im Innenraum der Hülse 14 angebracht ist. Die Hülse 14 der Federkontakte 13 wird auf die zweite Leiterkarte 4 gelötet und der Stift 15 kontaktiert die auf der Oberfläche der ersten Leiterkarte 5 angeordneten Kontaktflächen 19. Als alternative Variante können die Federkontakte 13 auf die erste Leiterkarte 5 gelötet werden und die Stifte 15 kontaktieren die vorgesehenen Kontaktflächen 18 auf der zweiten Leiterkarte 12. Diese Anordnung führt zu der Erleichterung der Montage des Moduls und führt gleichzeitig zu Reduzierung der Verbindungsinduktivität zwischen der Treiberschaltung und den Leistungshalbleitern, aber dämpft auch die eventuell auftretende Schwingungen von zweiter Leiterkarte 12.
  • Schließlich wird die zweite Leiterkarte 12 mittels eines Kunststoffrahmens 20 auf dem zweiten Substrat und der darauf montierten erste Leiterkarte mechanisch befestigt.
  • 4 zeigt die Draufsicht auf eine Leiterkarte 5 einer zweiten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls 1. Man erkennt die konzeptionelle Ähnlichkeit zu der 1, so dass es möglich ist, lediglich neu hinzugekommene Merkmale zu erläutern. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform besitzt die zweite Ausführungsform nur eine Leiterkarte 5.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht der in 4 dargestellten Ausführungsform des Leistungselektronikmoduls 1 entlang der Linie B-B, bei dem man erneut die typische Anordnung von erster Leiterkarte 5 und erstes Substrat 2 erkennt. Das zweite Substrat 4 weist dabei eine sockelartige Erhebung 10 auf, auf der das erste Substrat 2 durch Löten oder Sintern befestigt ist. Das erste Substrat 2 weist Leistungshalbleiterbauelemente 3 wie einen IGBT, einen MOSFET oder Thyristoren und Stromsensoren 31 auf. Ebenfalls auf der sockelartigen Erhebung 10 ist die Leiterkarte 5 über einen Klebstoff 7 befestigt. Dabei nimmt die Aussparung 6 der Leiterkarte 5 das erste Substrat 2 so auf, dass das erste Substrat 2 umlaufend von der Leiterkarte 5 umgeben ist. Das erste Substrat 2 ist demnach in der Aussparung der Leiterkarte 5 aufgenommen oder angeordnet. Das erste Substrat 2 und die Leiterkarte 5 befinden sich dabei etwa in derselben Ebene.
  • Die sockelartige Erhebung 10 ist zwar von ihrer erhabenen Fläche größer als die Aussparung der Leiterkarte 5, gegenüber den Gesamtabmessungen jedoch kleiner, sodass ein Raum entsteht, in dem Funktionsgruppen 9 auch auf der Seite der Leiterkarte 5 angeordnet werden können, die dem zweiten Substrat 4 zugewandt ist. Dieser Raum ist in seinem äußeren Grenzbereich mit Hilfe eines Kunststoffrahmens 11 abgeschlossen.
  • Dadurch ist es möglich, einen sehr kompakten Aufbau eines Leistungselektronikmoduls 1 zu erreichen und die Verknüpfung von möglicherweise auftragsgefertigten Elementen, wie das erste Substrat 2, die darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente 3 bzw. Stromsensoren 31 und das zweite Substrat 4 rasch und ohne viel Aufwand mit einer Leiterkarte 5 zu verbinden. Hierfür ist es nur notwendig, die Leiterkarte 5 mit Hilfe des Klebstoffs 7 an die entsprechende Position aufzukleben und die elektrische Verbindung 8 (Drahtbonding oder flexible Leiterbahnfolie) herzustellen.
  • Das Modul dieses Ausführungsbeispiels umfasst folgende Baugruppen:.
    • - Wenigstens ein erstes elektrisch isolierendes aber thermisch leitendes Substrat 2, worauf Leiterbahnen aus Kupfer aufgebracht sind.
    • - Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 (IGBT, MOSFETs, Thyristoren, ... ) sind auf dem ersten Substrat 2 gelötet oder gesintert.
    • - Die Stromsensoren 31 sind auf dem ersten Substrat 2 gelötet oder gesintert.
    • - Eine Leiterkarte 5 mit mindestens einer Aussparung 6, in der das erste Substrat 2 und die darauf befindlichen Leistungshalbleiterbauelemente 3 und Stromsensoren 31 angeordnet sind. Auf der Leiterkarte 5 befinden sich die Funktionsgruppen wie Spannungsmessung, Temperaturmessung, Messdatenauswertung, Zwischenkreiskondensatoren, elektronische Steuerung (Mikro-Controller, DSP oder FPGA) sowie die Leistungs- und Signalanschlüsse, aber auch sämtliche Treiberstufen und die Spannungsversorgungseinheit aber auch Leistungs- und Signalanschlüsse für das Leistungsmodul. Des Weiteren sind auf die Leiterkarte 5 die Schnittstellen zu übergeordneten Geräten vorgesehen.
    • - Ein zweites Substrat 4 mit mindestens einer sockelartigen Aufhebung 10, auf die das erste Substrat 2 und die darauf befindlichen Bauelemente 3, 31 sowie die Leiterkarte 5 angeordnet sind.
    • - Die Leiterkarte 5 wird zweiseitig bestückt, um einen sehr kompakten Aufbau eines Leistungselektronikmoduls 1 zu erreichen
  • Nachfolgend wird der Aufbau und die Konfiguration dieser Ausführungsform detailliert aufgeführt. Wenigstens ein erstes Substrat 2 (einschließlich der gelöteten Leistungsbauelemente 3 und die Stromsensoren) ist auf das zweite Substrat 4 gelötet oder gesintert und ist mit dem zweiten Substrat 2 thermisch gekoppelt, aber elektrisch isoliert.
  • Das zweite Substrat 4 hat an der Kontaktstelle zum ersten Substrat einen Absatz 10 (sockelartige Erhebung), beispielweise 5 - 20 mm. Die Leiterkarte 5 ist im Bereich des Absatzes 10 auf das zweite Substrat 4 mittels Klebstoff 7 oder Klebefolie befestigt und ist thermisch und elektrisch von dem zweiten Substrat 4 isoliert. Die Leiterkarte 5 beinhaltet Zwischenkreiskondensatoren, Temperaturmessung, Spannungsmessung, die Treiberbeschaltung, DC/DC-Wandlung für die Spannungsversorgung, die Messdatenauswertung, sowie die Schnittstellen zu den übergeordneten Geräten. Des Weiteren befinden sich die Leistungsanschlüsse 91 DC-Eingang und AC-Ausgänge als Schraubkontakte und/oder Stecker mit SMT-Ausführung oder anderen Ausführungen auf der Leiterkarte 5.
  • Weiterhin beinhaltet die Leiterkarte 5 weitere Beschaltungen, die eine Zerstörung der Leistungshalbleiter durch ESD oder Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung-verhindern sollen.
  • Die Leiterkarte 5 ist beidseitig bestückt und ist elektrisch und thermisch von dem zweiten Substrat 4 entkoppelt.
  • Die Leistungsbauelemente 3 und Stromsensoren 31 werden mittels der Bonddrähte 8 oder gesinterten flexiblen Leiterbahnfolie 8 mit den weiteren Beschaltungen auf der ersten Leiterkarte 5 elektrisch verbunden.
  • Stromsensoren können in einer anderen Variante alternativ dazu auch auf die erste Leiterkarte 5 aufgebracht werden.
  • Schließlich wird die Leiterkarte 5 mittels eines Kunststoffrahmens 11 auf dem zweiten Substrat 4 mechanisch befestigt.
  • Als alternative Ausgestaltung des Leistungselektronikmoduls 1 können auf dem zweiten Substrat 4 mehrere Teilsubstrate 2 angeordnet sein und die Leiterkarte 5 kann mehrere Aussparungen 6 umfassen.
  • Weiterhin ist von der Erfindung die Kombination der vorstehend beschriebenen zwei Ausführungsformen umfasst. Demnach kann also auch bei einem zweiten Substrat 4 mit sockelartiger Erhebung 10 eine zweite Leiterkarte 12 vorgesehen sein, die sich an der von dem zweiten Substrat 4 abgewandten Seite der ersten Leiterkarte 5 befindet. Eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leiterkarte 5 und der zweiten Leiterkarte 12 wird dabei, wie oben beschrieben, über die Federkontakte 13 hergestellt.

Claims (17)

  1. Leistungselektronikmodul (1), vorzugsweise für elektromechanische Flugsteuersysteme, umfassend: mindestens ein erstes Substrat (2) mit darauf aufgebrachten Leiterbahnen, mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (3) und mindestens einen Stromsensor (31), die durch Sintern oder Löten auf dem ersten Substrat (2) angeordnet sind, ein zweites Substrat (4), das durch Sintern oder Löten mit dem ersten Substrat (2) verbunden ist, eine erste Leiterkarte (5), die auf dem zweiten Substrat (4) befestigt ist und mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist, wobei die erste Leiterkarte (5) mindestens eine Aussparung (6) aufweist, in der das erste Substrat (2) mit dem mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (3) und dem mindestens einem Stromsensor (31) angeordnet ist, und eine zweite Leiterkarte (12), die beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist und oberhalb der ersten Leiterkarte (5) auf der ersten Leiterkarte angeordnet ist, und mittels mindestens eines Federkontakts (13) punktuell mit der ersten Leiterkarte elektrisch verbunden ist, wobei der Federkontakt (13) auf der Unterseite der zweiten Leiterkarte (12) oder der Oberseite der ersten Leiterkarte (5) gelötet ist.
  2. Modul (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Leiterkarte (5) thermisch und elektrisch von dem zweiten Substrat (4) isoliert ist, und vorzugsweise mittels eines Klebstoffs (7) oder einer Klebefolie auf dem zweiten Substrat (4) befestigt ist.
  3. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leiterkarte (5) mindestens eine Kontaktfläche (19) für Federkontakte hat und mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist, wobei vorzugsweise eine elektronische Funktionsgruppe (9) eine Spannungsmessung, eine Temperaturmessung, eine Messdatenauswertung, ein Zwischenkreiskondensator, ein Leistungsanschluss, ein Signalanschluss, eine ESD-Schutzschaltung, eine Schutzschaltung aufgrund einer Fehlfunktion der Leistungshalbleiteransteuerung, eine Spannungsversorgungseinheit für das Leistungselektronikmodul (1) ist.
  4. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leiterkarte (12) beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist und oberhalb der ersten Leiterkarte (5) auf der zum zweiten Substrat (4) abgewandten Seite der ersten Leiterkarte (5) angeordnet ist.
  5. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leiterkarte (12) mindestens eine Kontaktfläche (18) für Federkontakte hat und beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist, wobei vorzugsweise eine elektronische Funktionsgruppe (9) eine Treiberschaltung oder Treiberstufe, eine Messdatenauswertung, eine elektronische Steuerung, insbesondere in Form eines Mikro-Controllers, eines DSPs oder eines FPGAs, ein Signalanschluss, eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Gerät, eine Spannungsversorgungseinheit für das Leistungselektronikmodul (1) ist.
  6. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Federkontakt (13) eine Hülse (14) und einen bewegbaren Kontaktstift (15), der zusammen mit einer Feder (16) in der Hülse (14) angeordnet ist, umfasst, und wobei die Hülse (14) auf einer der beiden Leiterkarten (5, 12) angelötet ist und der Kontaktstift (15) eine auf der Oberfläche der anderen Leiterkarte (5, 12) angeordnete Kontaktfläche kontaktiert, und wobei der Federkontakt (13) zum punktuellen elektrischen Verbinden der ersten Leiterkarte (5) und der zweiten Leiterkarte (12) dazu dient, einen niederinduktiven Schaltungspfad zwischen der ersten und der zweiten Leiterkarte (5, 12) zu ermöglichen, elektromagnetische Störungen zu reduzieren und Schwingungen zwischen der ersten Leiterkarte (5) und der zweiten Leiterkarte (12) zu dämpfen.
  7. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung der zweiten Leiterkarte (12) denen der ersten Leiterkarte (5) in etwa entsprechen und ein Kunststoffrahmen (20) vorgesehen ist, der für eine Befestigung zwischen dem zweiten Substrat (4), der ersten Leiterkarte (5) und der zweiten Leiterkarte (12) dient, wobei vorzugsweise der Kunststoffrahmen (20) in einem Randbereich der durch die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung definierten Fläche umlaufend ausgebildet ist und etwa bündig zur ersten Leiterkarte (5) und/oder zweiten Leiterkarte (12) abschließt.
  8. Leistungselektronikmodul (1), vorzugsweise für elektromechanische Flugsteuersysteme, umfassend: ein erstes Substrat (2) mit darauf aufgebrachten Leiterbahnen, mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (3) und mindestens einen Stromsensor (31), die durch Sintern oder Löten auf dem ersten Substrat (2) angeordnet sind, ein zweites Substrat (4), das durch Sintern oder Löten mit dem ersten Substrat (2) verbunden ist, wobei das zweite Substrat (4) eine sockelartige Erhebung (10) aufweist, auf der das erste Substrat (2) durch Sintern oder Löten mit dem zweiten Substrat (4) verbunden ist, eine Leiterkarte (5), die auf der sockelartigen Erhebung (10) des zweiten Substrats (4) befestigt ist und beidseitig oder einseitig mit mindestens einer elektronischen Funktionsgruppe (9) bestückt ist, wobei die Leiterkarte (5) mindestens eine Aussparung (6) aufweist, in der das erste Substrat (2) mit dem mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (3) und mindestens einem Stromsensor (31) angeordnet ist.
  9. Modul (1) nach Anspruch 8, wobei das zweite Substrat (4) eine sockelartige Erhebung (10) aufweist, auf der das erste Substrat (2) durch Sintern oder Löten mit dem ersten Substrat (2) verbunden ist, und wobei vorzugsweise die Höhe der sockelartigen Erhebung (10) in einem Bereich liegt, der 2-30 mm, bevorzugterweise 5-20 mm umfasst.
  10. Modul (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Leiterkarte (5) auf der sockelartigen Erhebung (10) des zweiten Substrats (4) befestigt ist, vorzugsweise mit Hilfe eines Klebstoffs (7), der mit einem die Aussparung (6) umlaufenden Randbereich der Leiterkarte (5) zusammenwirkt, oder einer Klebefolie, die mit dem die Aussparung (6) umlaufenden Randbereich der Leiterkarte (5) zusammenwirkt, und wobei die Leiterkarte (5) thermisch und elektrisch von dem zweiten Substrat (4) isoliert ist.
  11. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die sockelartige Erhebung (10) eine ebene Fläche aufweist, die größer als die Fläche der Aussparung (6) der Leiterkarte (5) ist, und vorzugsweise kleiner als die durch die Abmessungen der Leiterkarte (5) in Längen- und Breitenrichtung beanspruchte Fläche ist, so dass in den zur sockelartigen Erhebung (10) abgesetzten Bereichen des zweiten Substrats (4) Raum für eine beidseitige Bestückung der Leiterkarte (5) ist.
  12. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, wobei die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung des zweiten Substrats (4) denen der Leiterkarte (5) in etwa entsprechen und ein Kunststoffrahmen (11) vorgesehen ist, der für eine weitere Befestigung zwischen der Leiterkarte (5) und dem zweiten Substrat (4) dient, wobei vorzugsweise der Kunststoffrahmen (11) in einem Randbereich der durch die Abmessungen in Längen- und Breitenrichtung definierten Fläche umlaufend ausgebildet ist und etwa bündig zur Leiterkarte (5) und zweiten Substrat (4) abschließt.
  13. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Substrat (4) an einer flächigen Seite des ersten Substrats (2) verbunden ist und das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (3) und mindestens ein Stromsensor (31) auf der anderen davon abgewandten flächigen Seite angeordnet ist.
  14. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen der Leiterkarte (5) und dem in der Aussparung (6) der Leiterkarte (5) angeordneten ersten Substrat (2) und/oder dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement (3) durch eine flexible elektrisch leitfähige Verbindung (8), insbesondere durch ein Draht-Bonding und/oder eine gesinterte flexible Leiterbahnfolie, vorgesehen ist.
  15. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Stromsensor (31) auf der ersten Leiterkarte (5) angeordnet ist.
  16. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem zweiten Substrat (4) mehrere Teilsubstrate als erstes Substrat (2) angeordnet sind und die Leiterkarte (5) mehrere Aussparungen (6) umfasst.
  17. Elektromechanischer Antrieb eines Flugsteuerungssystems mit einem Leistungselektronikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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