DE102018221246A1

DE102018221246A1 - Halbleiter-Leistungsmodul und Verfahren zum Verbinden desselben mit anderen elektrischen Komponenten

Info

Publication number: DE102018221246A1
Application number: DE102018221246.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schütz; Robert Rösner
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10

Abstract

Ein Halbleiter-Leistungsmodul, umfassend ein Substrat, auf dem ein Schaltungsmuster angebracht ist und auf dem elektrische Komponenten angebracht sind. Das Substrat ist teilweise mit einem Gehäuse abgedeckt und steht von dem Gehäuse nach außen vor, sodass mindestens zwei Anschlüsse, die auf dem Substrat angebracht sind und für die elektrische Verbindung des Halbleiter-Leistungsmoduls vorgesehen sind, von dem Gehäuse nach außen vorstehen, um durch eine stoffschlüssige Verbindung permanent elektrisch mit Anschlüssen anderer Leistungselektrikeinheiten verbunden zu werden. Die mindestens zwei Anschlüsse sind zum Leiten elektrischer Ströme jeweils unterschiedlicher elektrischer Potenziale vorgesehen, wobei die beiden Anschlüsse durch einen Abstand voneinander beanstandet sind, der kleiner als der erforderliche Kriechabstand und/oder Zwischenraum ist, der bei Luft als elektrisch isolierendem Material nötig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Halbleiter-Leistungsmodulen, insbesondere auf Siliziumkarbid-Halbleiter-Leistungsmodule.
Halbleiter-Leistungsmodule umfassen typischerweise einen oder mehrere Halbleiter oder Halbleiter-Schalter wie zum Beispiel IGBT, MOSFET oder andere leistungssteuernde Halbleiter. Diese Halbleiter und andere elektrische Komponenten sind üblicherweise auf einem Substrat angebracht, auf dem zum Beispiel durch Drucken oder Ätzen ein Schaltungsmuster angebracht wird. Diese Halbleiter sind üblicherweise in einem Gehäuse aufgenommen, das oft ein gekapseltes Gehäuse ist, das jedoch auch eine montierbare Box oder dergleichen sein kann. Über Leiter sind die Halbleiter, Halbleiterschalter und elektrischen Komponenten, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, mit anderen Leistungselektrikvorrichtungen, wie zum Beispiel Sammelschienen oder dergleichen, verbindbar. Diese Leiter umfassen mindestens einen Anschluss, der aus dem Gehäuse des Halbleiter-Leistungsmoduls herausragt. Für die Verbindung mit einem Anschluss einer weiteren Leistungselektrikvorrichtung werden auf diesem Gebiet üblicherweise Schraubverbindungen verwendet. Schraubverbindungen stellen jedoch eine arbeits- und daher kostenintensive Art zum Verbinden elektrischer Vorrichtungen dar, insbesondere wenn ein automatisches Verbinden bevorzugt wird, wenn zum Beispiel Halbleiter-Leistungsmodule mit anderen Leistungselektrik-Modulen zusammengesetzt werden, um eine Leistungselektrikanordnung oder eine Leistungsmodul-Anordnungsgruppe aufzubauen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiter-Leistungsmodul bereitzustellen, das mit einer beliebigen anderen Leistungselektrikeinheit in einer einfacheren Weise verbunden werden kann, das Kosten und Montagezeit während des Zusammenbaus des Halbleiter-Leistungsmoduls mit anderen Leistungselektrikeinheiten einspart. Allgemein sollte die Verbindung zwischen dem Halbleiter-Leistungsmodul und der weiteren Leistungselektrikvorrichtung zuverlässig und robust sein.
Die oben angegebene Aufgabe wird durch ein Halbleiter-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1 gelöst, das ein Substrat umfasst, auf dem ein Schaltungsmuster angebracht ist, und das ferner elektrische Komponenten umfasst, die in dem Schaltungsmuster auf dem Substrat montiert und verbunden sind. Diese weiteren elektrischen Komponenten können Widerstände, Transistoren, Leiter oder beliebige andere elektrische Komponenten sein, deren sich ein Fachmann auf diesem Gebiet bewusst ist. Gemäß der Erfindung ist das Substrat mit dem Schaltungsmuster und den elektrischen Komponenten teilweise von einem Gehäuse abgedeckt, sodass das Substrat und ein Teil des Schaltungsmusters von dem Gehäuse nach außen vorsteht. Mindestens zwei Anschlüsse, die auf dem Substrat für eine elektrische Verbindung des Halbleiter-Leistungsmoduls ausgebildet sind, stehen aus dem Gehäuse vor, um in permanenter Weise mit einer stoffschlüssigen Verbindung mit Anschlüssen anderer Leistungselektrikvorrichtungen oder -modulen verbindbar zu sein. Die mindestens zwei Anschlüsse sind zum Leiten elektrischer Ströme jeweils unterschiedlicher elektrischer Potenziale zwischen der Außenseite des Gehäuses des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls und den innerhalb des Gehäuses angeordneten elektrischen Komponenten vorgesehen.
Diese mindestens zwei Anschlüsse sind vorzugsweise in einem Abstand voneinander angeordnet, der kleiner als der Kriechabstand oder Zwischenraum ist, als er durch Luft als elektrisch isolierendes Material bereitgestellt wird. Bei der Verwendung von Luft als elektrisch isolierendes Material zwischen zwei beieinanderliegenden Anschlüssen, die jeweils unterschiedliche elektrische Potenziale haben, muss ein Mindestabstand aufrechterhalten werden, um elektrische Leck- oder Kriechströme oder sogar Kurzschlüsse zu vermeiden. Da die Anschlüsse des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls dazu gedacht sind, permanent mit einer stoffschlüssigen Verbindung mit Anschlüssen anderer elektrischer Vorrichtungen verbunden zu sein und danach diese permanent verbundenen Anschlüsse mit einem elektrisch isolierenden Material abgedeckt werden, kann der Abstand zwischen unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisenden beieinanderliegenden Anschlüssen verringert werden. Um elektrische Leckströme, Kriechströme oder sogar Kurzschlüsse nach der stoffschlüssigen Verbindung zu vermeiden, werden die stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse mit elektrisch isolierendem Material, wie zum Beispiel einem Lack oder einem Kunstharz oder dergleichen abgedeckt.
Mittels der Verringerung des Kriechabstands oder des Zwischenraums zwischen zwei beieinanderliegenden Anschlüssen wird jeweils eine kleinere Konstruktion des Halbleiter-Leistungsmoduls mit Abmessungen erreicht, die kleiner als diejenigen von Halbleiter-Leistungsmodulen sind, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, bei denen Schraubverbindungen für die Verbindung mit Anschlüssen anderer elektrischer Vorrichtungen verwendet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die stoffschlüssige Verbindung ein nicht trennbares Verfahren zum Verbinden zweier Anschlüsse ist und eine Zugänglichkeit der Verbindungspunkte für ein eventuelles Lösen nicht gegeben sein muss. Daher ist die elektrische Verbindung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls dazu konstruiert, abgedeckt zu werden. Ferner wird die Induktivität der Anordnung verringert, indem der Abstand der elektrischen Leiter verringert wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Schaltungsanschlüsse, die aus dem Gehäuse nach außen ragen, direkt verbunden werden können, ohne dass dazu eigene Leiter angebracht werden müssen, wie das üblicherweise im Stand der Technik der Fall ist. Hierdurch kann die Anzahl von Verbindungspunkten beträchtlich verringert werden, was zu einem Halbleiter-Leistungsmodul mit verringertem elektrischem Widerstand und verringerter Verbindungs-Induktivität führt, was bei dem verwendeten Halbleiter schnellere Schaltcharakteristiken ermöglicht, insbesondere wenn ein Siliziumkarbid-Halbleiter oder ein anderer Halbleiter mit breitem Bandabstand (Wide Bandgap-Halbleiter) verwendet wird. Ein geringerer elektrischer Widerstand führt ferner zu geringerer Wärmeerzeugung innerhalb des Halbleiter-Leistungsmoduls, sodass weniger Kühlung erforderlich ist oder, in einer anderen Weise ausgedrückt, sodass bei Anwendung derselben Kühlung mehr elektrischer Strom durch das Halbleiter-Leistungsmodul geleitet werden kann.
Es können jedoch auch übliche metallische Leiter zum Leiten elektrische Ströme zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Gehäuses des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls zusätzlich verwendet werden, je nach der Architektur und den Verbindungsmöglichkeiten, die das Halbleiter-Leistungsmodul bereitstellen sollte, wie zum Beispiel für eine oberseitige Verbindung. Da die Substrat-Anschlüsse direkt durch das Schaltungsmuster auf dem Substrat ausgebildet werden, sind diese Substrat-Anschlüsse üblicherweise in einer Ebene angeordnet, wobei unterschiedliche elektrische Potenziale jeweils nur mit einem Anschluss oder auch mit einer Mehrzahl von Anschlüssen verbunden werden können. Die Verwendung einer Mehrzahl von Anschlüssen, die direkt stoffschlüssig auf einem Substrat angebracht sind, kann zum Beispiel dann von Vorteil sein, wenn Wärme über einen größeren Oberflächenbereich abzuleiten ist. Hierbei können Anschlüsse unterschiedlicher Potenziale zueinander abwechselnd angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlüsse zum Verbinden des Halbleiter-Leistungsmoduls auf einem Substrat derart angeordnet, dass diese Anschlüsse von einer Außenseite des Gehäuses vorstehen. Hierdurch kann eine elektrische Verbindung direkt und in einer einfachen Weise in der Ebene des Substrats, zum Beispiel als Steckverbindung, umgesetzt werden.
Da die Anschlüsse zum elektrischen Verbinden des Halbleiter-Leistungsmoduls gemäß der Erfindung direkt auf dem Substrat vorgesehen sind, ist das bevorzugte Verfahren zum Verbinden dieser Anschlüsse mit Anschlüssen anderer Leistungselektrikvorrichtungen die stoffschlüssige Verbindung. Üblicherweise ist das Substrat aus einem Keramikmaterial hergestellt, das druckempfindlich ist. Deshalb sollte ein Schraubvorgang vermieden werden. Deshalb ist das bevorzugte Verfahren zum Verbinden des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit einer beliebigen anderen Leistungselektrikeinheit oder -vorrichtung eine stoffschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel Kleben, Löten oder Schweißen, insbesondere zum Beispiel Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen oder Punktschweißen.
Da eine stoffschlüssige Verbindung für die Verbindung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit einer beliebigen anderen Leistungselektrikvorrichtung bevorzugt wird, kann noch ein weiterer Vorteil ausgenutzt werden. Eine inhärente Eigenschaft der stoffschlüssigen Verbindung ist die permanente Verbindung der Anschlüsse, die nicht lösbar ist, ohne die Verbindungsstruktur zu zerstören. Im Vergleich dazu kann eine Schraubverbindung mehrere Male gelöst und verschraubt werden, ohne dabei Schaden zu nehmen. Bei der Verwendung einer stoffschlüssigen Verbindung kann die Verbindung nur gelöst werden, indem die stoffschlüssige Verbindung der beiden Anschlüsse beschädigt wird. Dies kann jedoch vorteilhafterweise dadurch genutzt werden, dass die stoffschlüssige Verbindung mindestens an den Verbindungspunkten mit einem Lack oder einem Kunstharz abgedeckt wird, was dazu beiträgt, die elektrische Isolierung beieinanderliegender Anschlüsse zu erhöhen. Deshalb kann bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul der erforderliche Kriechabstand und/oder Zwischenraum zwischen beieinanderliegenden Anschlüssen im Vergleich zu Halbleiter-Leistungsmodulen mit Anschlüssen, die für eine Schraubverbindung vorgesehen sind, beträchtlich verringert werden. Schraubverbindungen sollten lösbar sein, daher sollte kein Lack oder Kunstharz auf der Schraubverbindung aufgebracht werden, damit sie jederzeit zugänglich und lösbar ist.
Deshalb ist bei Halbleiter-Leistungsmodulen gemäß dem Stand der Technik ein Kriechabstand und/oder Zwischenraum zwischen beieinanderliegenden Anschlüssen erforderlich, der einen solchen Wert hat, dass Kurzschlüsse über die Luft nicht entstehen. Im Gegensatz hierzu können die Kriechabstände und/oder Zwischenräume zwischen beieinanderliegenden Anschlüssen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls beträchtlich verringert werden, da Lack oder Kunstharz zum Abdecken der stoffschlüssig verbundenen Verbindung aufgebracht werden kann, der vorzugsweise ein viel besseres elektrisch isolierendes Material darstellt, als es Luft sein kann. Folglich können die erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodule in ihren Außenabmessungen kleiner konstruiert werden und sind dazu fähig, in raumkritischen Anwendungen, wie zum Beispiel Antriebssträngen von Fahrzeugen, insbesondere in der Automobilindustrie, angewendet zu werden. Die genannten Gesichtspunkte sind sogar noch relevanter für elektrische Anwendungen in der Luftfahrtindustrie. Dies gilt analog auch dafür, dass einige der Leiter, die im Stand der Technik verwendet werden, überflüssig sind, sodass das von dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul besetzte Volumen weiter verringert werden kann.
Da ferner die Anzahl von Leitern beträchtlich verringert werden kann und auf diese sogar manchmal ganz verzichtet werden kann, kann das erfindungsgemäße Halbleiter-Leistungsmodul dünner bzw. mit einer geringeren Dicke ausgebildet werden, da kein metallischer Leiter zu einer Außenseite des Gehäuses geführt werden muss, was üblicherweise über dreidimensional ausgebildete Leiter erfolgt, um über die elektrischen Komponenten hinweg zu führen, die auf dem Schaltungsmuster des Substrats angebracht sind. Daher kann die Architektur des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls in einer einfacheren Weise realisiert werden, da keine komplizierte dreidimensionale Leiterkonstruktion nötig ist, um elektrisch verwendbare Anschlüsse auf einer Außenseite des Gehäuses des Halbleiter-Leistungsmoduls bereitzustellen. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul mit Anschlüssen in lediglich einer Ebene ist auch eine gestapelte Anordnung einer Mehrzahl von Halbleiter-Leistungsmodulen möglich, da insbesondere eine Zugänglichkeit zu dem Verbindungspunkt aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung nicht länger nötig ist.
Trotzdem können die Anschlüsse eines Halbleiter-Leistungsmoduls auch in zwei oder mehr Ebenen zum Beispiel für eine ebenenweise Verbindung verteilt sein. Allgemein kann bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul eine kompaktere Architektur des Halbleiter-Leistungsmoduls selbst und von Leistungselektrikanordnungen erzielt werden.
Eine weitere vorteilhafte Lösung wird mit dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul dadurch erreicht, dass weniger Verbindungen von Element zu Element, insbesondere diejenigen von Leitern zu dem Schaltungsmuster und/oder zu dem Halbleiter und/oder zu anderen elektrischen Komponenten erreicht werden können, sodass die leitfähigkeitsbehindernden Einflüsse verringert werden können. Mit anderen Worten wird die Induktivität der erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodule verringert, während die Leitfähigkeit im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten Halbleiter-Leistungsmodulen erhöht wird.
Der zuvor erwähnte Vorteil einer erhöhten Leitfähigkeit wird ferner dadurch verstärkt, dass die aus dem Gehäuse des Halbleiter-Leistungsmoduls vorstehenden Anschlüsse nicht dadurch bereitgestellt werden, dass sie mittels einer Schraubverbindung verbunden werden, d.h. dass dort keine Öffnung zur Aufnahme einer Verbindungsschraube vorgesehen ist, was die Leitfähigkeit einer solchen Verbindung negativ beeinflussen würde. Da eine stoffschlüssige Verbindung das bevorzugte Verbindungsverfahren des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit anderen Leistungselektrikvorrichtungen ist und da eine geringe Anzahl von Leitern zum Leiten elektrischen Stroms verwendet wird, wird durch das erfindungsgemäße Halbleiter-Leistungsmodul eine sehr geringe Induktivität erreicht.
Ferner können durch die Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Halbleiter-Leistungsmodule mehrteilige Leistungselektrikanordnungen bereitgestellt werden, die insgesamt eine niedrigere Induktivität haben, was für eine hohe Schaltrate von Vorteil ist. Solche Leistungselektrikanordnungen werden schon dadurch erreicht, dass mindestens ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Leistungsmodul verwendet wird und seine Anschlüsse, die aus dem Gehäuse herausragen, mit entsprechenden Anschlüssen mindestens einer anderen Leistungselektrikvorrichtung verbunden werden. Gemäß der Erfindung werden die Anschlüsse mittels einer stoffschlüssigen Verbindung elektrisch permanent mit Anschlüssen anderer elektrischer Vorrichtungen verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung kann vorzugsweise mittels Schweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Laserschweißen, Löten, Sintern oder Kleben hergestellt werden. Es ist jedoch ein beliebiges anderes Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung, das einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, ebenfalls durch den erfindungsgemäßen Gedanken abgedeckt.
Nach der stoffschlüssigen Verbindung der Anschlüsse mindestens eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit Anschlüssen mindestens einer anderen Leistungselektrikvorrichtung zum Ausbilden einer Leistungselektrikanordnung können die stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse zum Beispiel mit einem Kunstharz oder Lack abgedeckt werden, um die stoffschlüssige Verbindung zu schützen, und davon abgesehen, oder zusätzlich dazu, isoliert der verwendete Lack oder das verwendete Kunstharz die stoffschlüssig verbundenen Verbindungen elektrisch, wodurch die Sicherheit gegen Kurzschlüsse erhöht wird und es erlaubt, zwei beieinander liegende stoffschlüssig verbundene Anschlüsse näher beieinander anzuordnen, als dies erlaubt wäre, wenn Luft das einzige elektrisch isolierende Material zwischen zwei beieinanderliegenden stoffschlüssig verbundenen Anschlüssen wäre. Das letztere ist der Fall bei mit Schrauben verbundenen Anschlüssen von Leistungselektrikvorrichtungen, die im Stand der Technik bekannt sind. Ein Abdecken des Anschlussbereichs vermeidet auch jegliche Probleme, die durch Verschmutzungen oder leitfähige Partikel über die Lebensdauer der Anordnung auftreten könnten.
Bei der Herstellung einer solchen Leistungelektrikanordnung, wie sie oben beschrieben wurde, zum Beispiel als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, können die elektrischen Vorrichtungen in kompakter Weise zueinander angeordnet werden, da die entsprechenden Anschlüsse, die von ihren Gehäusen aus vorstehen, mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, die üblicherweise weniger Raum benötigt als eine Schraubverbindung, miteinander verbunden werden können. Nach dem Durchführen der stoffschlüssigen Verbindung, wie zum Beispiel einer beliebigen Art von Schweißen, Löten, Sintern oder Kleben, werden die stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Kunstharz oder Lack abgedeckt, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Die oben erwähnten und andere vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls werden aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, die anhand der Zeichnungen erfolgt. Diese beispielhaften Ausführungsformen schränken jedoch den Umfang der Erfindung nicht ein und können von einem Fachmann angepasst und modifiziert werden, ohne dass dadurch vom Umfang des erfindungsgemäßen Gedankens abgewichen wird. In den Zeichnungen zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls;
2 eine erfindungsgemäße Leistungselektrikanordnung;
3 die Leistungselektrikanordnung von 2, deren elektrische Verbindung mit einem Abdeckmaterial abgedeckt ist; und
4 ein Fließdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit einer weiteren elektrischen Einheit veranschaulicht.

1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls 1, das ein Substrat 3 umfasst, auf dem ein Schaltungsmuster angebracht ist und auf dem (nicht gezeigte) elektrische Komponenten angebracht sind. Das Substrat 3 ist teilweise mit einem gekapselten Gehäuse 2 bedeckt und steht von dem Gehäuse 2 nach außen vor. In dieser Ausführungsform stehen sechs Anschlüsse 4, die auf dem Substrat 3 angebracht sind, von dem Gehäuse nach außen vor und sind für die permanente elektrische Verbindung des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit Anschlüssen anderer Leistungselektrikeinheiten oder -vorrichtungen vorgesehen. Diese Verbindung wird vorzugsweise durch einen stoffschlüssigen Verbindungsvorgang, wie zum Beispiel Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Reibschweißen oder Ultraschallschweißen, oder durch Löten oder Kleben, umgesetzt.
Die Anschlüsse 4 sind zum Leiten elektrischen Stroms an die innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten elektrischen Komponenten und von diesen weg vorgesehen, wobei es möglich ist, dass jeder Anschluss 4 unterschiedliche elektrische Potenziale leitet. In der in 2 dargestellten Ausführungsform können die gezeigten Anschlüsse 4 entweder zwei unterschiedliche elektrische Potenziale, z.B. negativen und positiven Strom, der durch beieinanderliegende Anschlüsse 4 abwechselnd angelegt wird, oder in einem beliebigen anderen Layout leiten. In einer weiteren Ausführungsform können alle Anschlüsse das gleiche elektrische Potenzial leiten oder sogar bis zu sechs unterschiedliche elektrische Potenziale leiten, wobei die elektrischen Potenziale über die Zeit im Betrieb des Leistungselektrikmoduls nicht notwendigerweise konstant sein müssen. Ein Fachmann wird erkennen, dass weder die Anzahl von Anschlüssen 4, die aus dem Gehäuse 2 herausragen, eingeschränkt ist, noch dass die Anzahl elektrischer Potenziale, die von den Anschlüssen 4 geleitet werden können, eingeschränkt ist. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, dass das Substrat 3 mit darauf ausgebildeten Anschlüssen 4 auch an anderen Seiten aus dem Gehäuse vorstehen kann.
Die in 1 gezeigten Anschlüsse 4 sind in einer seitlichen Beabstandung angeordnet, die kleiner als zwangsläufig notwendig ist, wenn Luft als Isolationsmaterial verwendet würde, um Kriechströme und/oder elektrische Leckströme oder sogar Kurzschlüsse zu vermeiden. Gemäß der Erfindung kann dies geschehen, weil die Anschlüsse 4 über eine stoffschlüssige Verbindung mit Anschlüssen anderer elektrischer Vorrichtungen verbunden werden, wobei vorzugsweise die verbundenen Anschlüsse nachfolgend mit einem elektrisch isolierenden Material abgedeckt werden, das bessere Isolationsfähigkeiten als Luft aufweist.
2 zeigt eine Leistungselektrikanordnung 10 gemäß der Erfindung, für die eine stoffschlüssige Verbindung zum Verbinden der Anschlüsse 4 des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit einer weiteren elektrischen Vorrichtung 5, zum Beispiel mit einem Sammelschienenmodul 7, verwendet wird. Lediglich zu veranschaulichenden Zwecken sind die stoffschlüssig verbundenen Paare von Anschlüssen 6 vor dem Anbringen elektrisch isolierenden Materials 12 auf dem Verbindungsbereich gezeigt. Ebenfalls lediglich aus veranschaulichenden Zwecken sind nur die Anschlüsse 4 des beispielhaft gezeigten Sammelschienenmoduls 7, als eine Ausführungsform für eine weitere elektrische Vorrichtung 5, als getrennte Anschlüsse 4 dargestellt, die auch in der gleichen Weise wie die Anschlüsse 4 des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls 1 realisiert werden könnten, d.h. als Anschlüsse 4, die als Teil des Schaltungsmusters auf einem Substrat ausgebildet sind, das von dem entsprechenden Sammelschienenmodulgehäuse nach außen vorsteht.
Wie aus 2 zu ersehen ist, könnte eine Mehrzahl von Halbleiter-Leistungsmodulen 1 seitlich nebeneinander in der erfindungsgemäßen Weise mit den weiteren elektrischen Vorrichtungen 5 verbunden werden, selbst ein Halbleiter-Leistungsmodul 1 auf anderen Halbleiter-Leistungsmodulen 1 in einem Stapel. Dies liegt daran, dass die einzelnen Paare verbundener Anschlüsse 6 nach der stoffschlüssigen Verbindung der entsprechenden Anschlüsse 4 nicht länger zugänglich sein müssen, wie das der Fall wäre, wenn zum Verbinden der Anschlüsse 4 miteinander eine Schraubverbindung ausgewählt worden wäre.
3 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungselektrikanordnung 10 von 2, wobei der Verbindungsbereich mit den Paaren der stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse 6 mit einem isolierenden Material 12 abgedeckt ist, das zu Zwecken der Veranschaulichung nur als ein halbtransparentes Material gezeigt ist. Es versteht sich von selbst, dass ein beliebiges anderes geeignetes isolierendes Material angebracht werden könnte, wie zum Beispiel ein Lack oder ein Kunstharz oder ein Silikongel, und es ist unwichtig, ob es sich dabei um ein transparentes oder nicht transparentes Material handelt. Durch das Anbringen von isolierendem Material 12, das auf den Verbindungsbereich der stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse 6 zum Beispiel durch Gießen oder Kapseln aufgebracht wird, kann der seitliche und/oder senkrechte Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden Paaren von Anschlüssen im Vergleich zu nicht abgedeckten Paaren von verbundenen Anschlüssen beträchtlich verringert werden, bei denen Luft das isolierende Material ist, um elektrische Kriech- und/oder Leckströme oder sogar Kurzschlüsse zu vermeiden. Daher kann gemäß der Erfindung die Architektur verbundener Paare von Anschlüssen 4 viel kompakter gestaltet werden, da der Abstand zwischen ihnen verringert ist.
4 zeigt ein Fließdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmoduls mit einer weiteren elektrischen Einheit veranschaulicht, das die folgenden Schritte umfasst: im Schritt S1 werden das Halbleiter-Leistungsmodul 1 und eine weitere elektrische Vorrichtung 5, jeweils mit aus ihren entsprechenden Gehäusen 2 vorstehenden Anschlüssen 4 bereitgestellt. Vorzugsweise sind die Anschlüsse 4 der beiden Vorrichtung 1 und 5 so zueinander angeordnet, dass die Anschlüsse 4, die elektrisch miteinander zu verbinden sind, einander mindestens teilweise überlagern.
In Schritt S2 werden die Anschlüsse 4 des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit den Anschlüssen 4 der weiteren elektrischen Vorrichtung 5 mittels eines stoffschlüssigen Verbindungsprozesses, wie zum Beispiel Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Reibschweißen und Ultraschallschweißen, oder durch Löten oder Kleben, miteinander verbunden.
In Schritt S3 werden die stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse 6 der beiden elektrischen Vorrichtungen 1 und 5 mit einem elektrisch isolierenden Material 12 abgedeckt, bei dem es sich um einen Lack, ein Kunstharz oder dergleichen handeln kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der gesamte Verbindungsbereich, d.h. die Lücke zwischen den Gehäusen 2 der beiden elektrischen Vorrichtungen 1 und 5 mit Kapselungsmaterial, zum Beispiel dem Material, das auch zum Ausbilden der Gehäuse 2 der elektrischen Vorrichtungen 1 und 5 verwendet wird, gefüllt (siehe 3). Ein Füllen der Lücke zwischen den elektrischen Vorrichtungen bietet mehr mechanische Stabilität zwischen den Gehäusen 2 der beiden elektrischen Vorrichtungen 1 und 5. Hierbei werden die stoffschlüssig verbundenen Verbindungen von Biegekräften entlastet, die zum Beispiel dann auftreten können, wenn das Halbleiter-Leistungsmodul 1 nicht senkrecht abgestützt ist und das Gewicht des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 von den stoffschlüssig verbundenen Anschlüssen getragen werden müsste.
Ein weiterer positiver Aspekt beim Füllen mindestens der gesamten Breite der Lücke zwischen den beiden elektrischen Vorrichtungen liegt darin, dass eine kompakte und robustere Leistungselektrikanordnung ausgebildet wird, die zum Beispiel in einem automatisierten Handhabungsprozess einfacher zu handhaben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiter-Leistungsmodul
2: Gehäuse
3: Substrat
4: Anschlüsse
5: elektrische Vorrichtung
6: stoffschlüssig verbundene Anschlüsse
7: Sammelschienenmodul
8: Leiter
10: Leistungselektrikanordnung
12: isolierendes Material
S1: Schritt 1
S2: Schritt 2
S3: Schritt 3

Claims

Halbleiter-Leistungsmodul (1), umfassend ein Substrat (3), auf dem ein Schaltungsmuster angebracht ist und elektrische Komponenten angebracht sind, wobei das Substrat teilweise durch ein Gehäuse (2) abgedeckt ist und von dem Gehäuse (2) nach außen hin vorsteht, sodass mindestens zwei Anschlüsse (4), die auf dem Substrat (3) angebracht und für die elektrische Verbindung des Halbleiter-Leistungstransistormoduls (1) vorgesehen sind, von dem Gehäuse (2) nach außen vorstehen, um durch eine stoffschlüssige Verbindung permanent elektrisch mit Anschlüssen anderer Leistungselektrikeinheiten verbunden zu werden, wobei die mindestens zwei Anschlüsse (4) zum Leiten elektrischer Ströme jeweils unterschiedlicher elektrischer Potenziale vorgesehen sind, und wobei die zwei Anschlüsse (4) um einen geringeren Abstand voneinander beanstandet sind, der kleiner als der erforderliche Kriechabstand und/oder Zwischenraum ist, der bei Luft als elektrisch isolierendem Material nötig ist.
Halbleiter-Leistungsmodul (1) gemäß Anspruch 1, wobei für jedes mit dem Modul zu verbindende elektrische Potenzial zwei oder mehr Anschlüsse (4) auf dem Substrat (3) vorgesehen sind und von dem Gehäuse (2) nach außen vorstehen.
Halbleiter-Leistungsmodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Anschlüsse (4) mit einem Anschluss einer Sammelschiene verbindbar ist.
Halbleiter-Leistungsmodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modul einen Leiter (8) umfasst, der mindestens zwei Anschlüsse hat, wobei ein erster innerer Anschluss des Leiters (8), innerhalb des Gehäuses (2), mit dem Schaltungsmuster oder mit einer der elektrischen Komponenten verbunden ist und ein zweiter äußerer Anschluss (4) des Leiters (8) von dem Gehäuse (2) nach außen vorsteht.
Halbleiter-Leistungstransistormodul (1) gemäß Anspruch 4, wobei der zweite Anschluss (4) des Leiters (8) von dem Gehäuse (2) in einer Ebene, die sich von derjenigen des Substrats (3) unterscheidet, und/oder auf einer anderen Seite des Gehäuses (2) nach außen vorsteht.
Halbleiter-Leistungstransistormodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modul (1) einen Siliziumkarbid-Halbleiter und/oder einen Halbleiter mit breitem Bandabstand umfasst.
Halbleiter-Leistungstransistormodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (3) ein Keramiksubstrat ist.
Halbleiter-Leistungstransistormodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (3) ein organisches Substrat ist.
Halbleiter-Leistungstransistormodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) ein gekapseltes Gehäuse ist.
Leistungselektrikanordnung, umfassend ein Halbleiter-Leistungsmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine weitere elektrische Einheit, die nach außen vorstehende Anschlüsse hat, wobei die entsprechenden Anschlüsse mittels einer stoffschlüssigen Verbindung elektrisch permanent miteinander verbunden sind.
Leistungselektrikanordnung (10) gemäß Anspruch 10, wobei die stoffschlüssige Verbindung mittels Schweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Laserschweißen, Löten, Sintern oder Kleben erhalten wird.
Leistungselektrikanordnung (10) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse (4) mit einem isolierenden Material (12) abgedeckt sind.
Leistungselektrikanordnung (10) gemäß Anspruch 12, wobei das isolierende Material (12) ein elektrisch isolierendes Material, zum Beispiel ein Kunstharz oder ein Lack, ist.
Verfahren zum Verbinden eines Halbleiter-Leistungsmoduls (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer weiteren elektrischen Vorrichtung (5), umfassend die folgenden Schritte: - Versehen das Halbleiter-Leistungsmoduls und einer weiteren elektrischen Vorrichtung (5) mit Anschlüssen (4), die aus entsprechenden Gehäusen (2) vorstehen, sodass die elektrisch zu verbindenden Anschlüsse (4) sich mindestens teilweise überlagern; - elektrisches Verbinden, mittels stoffschlüssiger Verbindung, der Anschlüsse (4) des Halbleiter-Leistungsmoduls (1) mit den Anschlüssen (4) der weiteren elektrischen Vorrichtung (5); - Abdecken der stoffschlüssig verbundenen Anschlüsse (6) mit einem elektrisch isolierenden Material (12).
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das stoffschlüssige Verbinden mittels Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Laserschweißen, Löten, Sintern oder Kleben durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei eine Lücke zwischen dem Gehäuse (2) das Halbleiter-Leistungsmoduls (1) und dem Gehäuse (2) der weiteren elektrischen Vorrichtung (5) mindestens über die Breite der Lücke mit isolierendem Material (12) gefüllt wird.