DE102019117476A1

DE102019117476A1 - Leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem Anschlusselement

Info

Publication number: DE102019117476A1
Application number: DE102019117476.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Beckedahl; Ingo Bogen; Roberto Bellu; Andreas Maul
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2039-06-29
Also published as: DE102019117476B4; CN112151484A

Abstract

Vorgestellt wird eine eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem auf einer ersten Leiterbahn eines Substrats angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, mit einer dieses Leistungshalbleiterbauelement mit einer zweiten Leiterbahn des Substrats verbindendenden Verbindungseinrichtung aus einem Folienverbund aus einer, dem Substrat und dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandten, ersten elektrisch leitfähigen, Folie, einer im Folienverbund folgenden elektrisch isolierenden Folie und vorzugsweise einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten elektrisch leitfähigen Folie, und mit einem Anschlusselement, wobei dieses Anschlusselement einen ersten Kontaktabschnitt aufweist, wobei dieser erste Kontaktabschnitt mit einem zweiten Kontaktabschnitt der dem Substrat abgewandten Oberfläche einer der elektrisch leitfähigen Folien stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem auf einer ersten Leiterbahn eines Substrats angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, mit einer dieses Leistungshalbleiterbauelement mit einer zweiten Leiterbahn des Substrats verbindendenden Verbindungseinrichtung und mit einem Anschlusselement.
Die DE 10 2009 017 733 A1 offenbart als Stand der Technik ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement, mit einer dieses Leistungshalbleiterbauelement kontaktierenden Verbindungseinrichtung aus einem Folienverbund aus mindestens einer ersten elektrisch leitfähigen dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandten, mindestens eine erste Leiterbahn ausbildenden Folie und einer im Folienverbund folgenden isolierenden Folie und einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten dem Leistungshalbleiterbauelement abgewandten, mindestens eine zweite Leiterbahn ausbildenden, Folie. Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul mindestens ein internes Anschlusselement auf, wobei dieses interne Anschlusselement als Kontaktfeder mit einem ersten und einem zweiten Federkontaktabschnitt und einem federnden Abschnitt ausgebildet ist. Hierbei weist der erste Federkontaktabschnitt eine gemeinsame Kontaktfläche mit einer ersten oder einer zweiten Leiterbahn der Verbindungseinrichtung auf.
In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternative Ausgestaltung des Anschlusselements vorzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem auf einer ersten Leiterbahn eines Substrats angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, mit einer dieses Leistungshalbleiterbauelement mit einer zweiten Leiterbahn des Substrats verbindendenden Verbindungseinrichtung aus einem Folienverbund aus einer, dem Substrat und dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandten, ersten elektrisch leitfähigen, Folie, einer im Folienverbund folgenden elektrisch isolierenden Folie und vorzugsweise einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten elektrisch leitfähigen Folie, und mit einem Anschlusselement, wobei dieses Anschlusselement einen ersten Kontaktabschnitt aufweist, wobei dieser erste Kontaktabschnitt mit einem zweiten Kontaktabschnitt der dem Substrat abgewandten Oberfläche einer der elektrisch leitfähigen Folien stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der zweite Kontaktabschnitt auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten elektrisch leitfähigen Folie angeordnet ist und dieser in einer Ausnehmung, aller im Folienverbund folgenden Folien angeordnet ist.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die jeweilige Dicke der elektrisch leitfähigen Folie zwischen 10 µm und 500 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 250 µm, beträgt und wenn die Dicke der elektrisch isolierenden Folie zwischen 2 µm und 200 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 100 µm, beträgt.
Einerseits kann es bevorzugt sein, wenn das Anschlusselement als Stiftkontaktelement oder als Presspinkontaktelement ausgebildet ist.
Es kann andererseits aber auch bevorzugt sein, wenn das Anschlusselement als eine Hülse mit darin angeordnetem Kontaktelement, seinerseits ausgebildet als Stiftkontaktelement oder Presspinkontaktelement, ausgebildet ist, wobei hier ein dem Substrat zugewandter Abschnitt der Hülse den ersten Kontaktabschnitt ausbildet.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement wie auch das Anschlusselement, auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen leistungselektronische Schalteinrichtung vorhanden sein. Hierbei kann das Kontaktelement mit einem Abschnitt in der Hülse angeordnet und kraftschlüssig und elektrisch leitend mit dieser verbunden sein. Auch kann die Hülse eine hohlzylinderartige oder eine becherartige Grundform, vorzugsweise mit einem zusätzlichen, vorzugsweise strukturierten, Randbereich, aufweisen.
Es ist auch bevorzugt, wenn die stoffschlüssige Verbindung als Lotverbindung oder als Schweißverbindung, insbesondere als Laserschweißverbindung, oder als Sinterverbindung oder als Klebeverbindung ausgebildet ist.
Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn ein Teilgehäuse oder ein Gehäuse das Substrat umschließt oder einschließt, wobei das Anschlusselement durch eine Gehäuseausnehmung mit einem Abschnitt aus dem Gehäuse oder dem Teilgehäuse herausragt.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt eine seitliche Ansicht einer leistungselektronischen Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine seitliche Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung.
3 zeigt eine seitliche Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung.
4 zeigt eine seitliche Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung.
5 zeigt eine seitliche Ansicht einer vierten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung.
6 zeigt eine Hülse der vierten Ausgestaltung der leistungselektronischen Schalteinrichtung.

1 zeigt eine seitliche Ansicht einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Dies Schalteinrichtung 1 weist ein Substrat 2, mit einem Isolierstoffkörper 20 und hier angeordneten Leiterbahnen 22,24 auf. Auf einer ersten Leiterbahn 22 eines Substrats 2 ist ein Leistungshalbleiterbauelement 5 angeordnet und mit seiner der ersten Leiterbahn zugewandten Kontaktfläche 50 elektrisch leitend verbunden. Diese elektrisch leitende Verbindung ist hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als eine stoffschlüssige Drucksinterverbindung 40 ausgebildet.
Das Leistungshalbleiterbauelement 5, genauer dessen dem Substrat abgewandte Kontaktfläche 52, ist mit einer zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 mittels einer Verbindungseinrichtung 3 verbunden. Diese Verbindungseinrichtung 3 ist ausgebildet als ein Folienverbund aus einer, dem Substrat 2 und dem Leistungshalbleiterbauelement 5 zugewandten, ersten elektrisch leitfähigen, Folie 30, einer im Folienverbund folgenden elektrisch isolierenden Folie 32 und einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten elektrisch leitfähigen Folie 34.
Die leistungselektronischen Schalteinrichtung weist weiterhin ein Anschlusselement 6, hier genauer ein Hilfsanschlusselement, zur Führung von Hilfspotentialen, wie beispielhaft Sensor- oder Ansteuersignalen, auf. Dieses Anschlusselement ist ausgebildet als ein Federelement 7. Der Fuß dieses Federelements 7 weist eine kraftschlüssige Verbindung zu einem Kontaktabschnitt auf der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitfähigen Folie 30 auf.
2 zeigt eine seitliche Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Das Substrat 2 samt Leistungshalbleiterbauelement 5, wie auch die Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung 3 entsprechen im Grund dem Stand der Technik, wie unter 1 beschreiben.
Die Verbindungseinrichtung 3, ausgestaltet als Folienverbund, weist eine erste und zweite elektrisch leitfähigen Folie 30,34 mit einer jeweiligen Dicke von 200 µm und eine elektrisch isolierenden Folie 32 mit einer Dicke von 80 µm auf.
Das Anschlusselement 6, wiederum ein Hilfsanschlusselement, ist hier ausgebildet als ein Stiftkontakt 600, zur Steck- oder Lötverbindung mit korrespondierenden Bauelementen einer, nicht dargestellten, Steuerplatine zur Ansteuerung der leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Zur Verbindung mit der Verbindungseinrichtung 3 weist das Anschlusselement 6 ein Fußelement 604 auf, das mittels einer Lotverbindung 420 stoffschlüssig auf der zweiten elektrisch leitfähigen Folie angeordnet ist. Hierbei ist mittels dieser Lotverbindung 420 ein erster, dem Substrat 2 zugewandter Kontaktabschnitt 606 des Anschlusselements 6 mit einem zweiten Kontaktabschnitt 346 der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 342 der zweiten elektrisch leitfähigen Folien 34 elektrisch leitend verbunden.
3 zeigt eine seitliche Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Das Substrat 2 samt Leistungshalbleiterbauelement 5, wie auch die Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung 3 entsprechen im Grund denjenigen, wie es unter 2 beschreiben ist.
Im Unterschied hierzu weist der Folienverbund der Verbindungseinrichtung 3 oberhalb der zweiten Leiterbahn 24 des Substrats 2 eine Ausnehmung 310 auf, die sowohl die elektrisch isolierende wie auch die zweite elektrisch leitende Folie 32,34 umfasst und einen Zugang zur ersten leitfähigen Folie 30 freispart. Auf der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitfähigen Folie 30 ist das Anschlusselement 6 angeordnet. Dies ist hier ausgebildet als ein Presspinkontaktelement 602. Der zweite Kontaktabschnitt 606 dieses Presspinkontaktelement 602 ist mit dem ersten Kontaktabschnitt 306 auf der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitfähigen Folie 30 mittels einer Laserschweißverbindung 424 elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden. Die Laserschweißverbindung 424 reicht hierbei bevorzugt nicht nur bis in die erste elektrisch leitende Folie 30 hinein, sondern erstreckt sich bis in die zweite Leiterbahn 24 hinein.
4 zeigt eine seitliche Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Dargestellt ist wiederum ein im Grunde fachübliches Substrat 2. Auf der ersten Leiterbahn 22 ist wiederum ein Leistungshalbleiterbauelement 5 angeordnet. Dieses Leistungshalbleiterbauelement 5 weist auf seiner dem Substrat 2 abgewandten Seite zwei Kontaktflächen 52 auf, von denen eine als Steuerkontaktfläche ausgebildet ist. Beide und insbesondere die Steuerkontaktfläche ist auf einer Kontaktmetallisierung 520 angeordnet, die signifikant dicker ausgebildet ist, verglichen mit dem Stand der Technik. Die Schichtdicke der Kontaktmetallisierung 520 beträgt hier ca. 50 µm. Vorteilhaft sind mindestens 30 µm bis hin zu 400 µm. Die erste elektrisch leitende Folie 30 ist hier mittels einer Sinterverbindung mit der Kontaktfläche 52 der Kontaktmetallisierung 520 des Leistungshalbleiterbauelements 5 verbunden.
Fluchtend mit der genannten Kontaktmetallisierung 52 ist auf der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitfähigen Folie 30 in einem ersten Kontaktabschnitt 306 dieser mit dem zweiten Kontaktabschnitt 606 des Anschlusselements 6 stoffschlüssig, mittels einer Sinterverbindung 422, elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist wiederum die elektrisch isolierende und die zweite elektrisch leitende Folie 32,34 eine gemeinsame Ausnehmung 310 auf. Das Anschlusselement 6 selbst ist hier wiederum als ein Presspinkontaktelement 602 ausgebildet.
5 zeigt eine seitliche Ansicht einer vierten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 1. Das Substrat 2 samt Leistungshalbleiterbauelement 5, wie auch die Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung 3, entsprechen im Grund demjenigen, wie es unter 3 beschreiben ist.
Im Unterschied hierzu ist das Anschlusselement 6 als eine becherartige Hülse 62 mit darin angeordnetem Kontaktelement 60 ausgebildet. Das Kontaktelement 60 seinerseits ist als Presspinkontaktelement ausgebildet. Das Kontaktelement 60 ist mit einem Abschnitt in der Hülse 62 angeordnet und kraftschlüssig und elektrisch leitend mit dieser verbunden.
Ein dem Substrat 2 zugewandter Abschnitt der Hülse 62 weist den ersten Kontaktabschnitt 626, vgl. 6, auf. Dieser erste Kontaktabschnitt der Hülse 62 ist stoffschlüssig mittels einer Sinterverbindung 422 mit der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche 302 der ersten elektrisch leitfähigen Folie 30 stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden.
Zusätzlich, allerdings nur in einem Abschnitt, ist ein Gehäuse 7 dargestellt, das das Substrat 2 umschließt. Das Gehäuse 7 weist durch eine Gehäuseausnehmung 70 auf, durch die das Anschlusselement 6 mit einem Abschnitt aus dem Gehäuse 7 herausragt.
6 zeigt eine Hülse der vierten Ausgestaltung der leistungselektronischen Schalteinrichtung. Dargestellt ist eine hohlzylinderartige Hülse 62 mit hohlzylindrischen Abschnitt und einem zusätzlichen Randbereich 624, der eine Strukturierung 628 aufweist. Dieser strukturierte Randbereich 624 ist dazu ausgebildet und vorgesehen auf der einer dem Substrat abgewandten Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Folie der Verbindungseinrichtung mittels einer Lotverbindung stoffschlüssig verbunden zu werden
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009017733 A1 [0002]

Claims

Leistungselektronische Schalteinrichtung (1) mit einem auf einer ersten Leiterbahn (22) eines Substrats (2) angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (5), mit einer dieses Leistungshalbleiterbauelement (5) mit einer zweiten Leiterbahn (24) des Substrats (2) verbindendenden Verbindungseinrichtung (3) aus einem Folienverbund aus einer, dem Substrat (2) und dem Leistungshalbleiterbauelement (10) zugewandten, ersten elektrisch leitfähigen, Folie (30), einer im Folienverbund folgenden elektrisch isolierenden Folie (32) und vorzugsweise einer im Folienverbund weiter folgenden zweiten elektrisch leitfähigen Folie (34), und mit einem Anschlusselement (6), wobei dieses Anschlusselement einen ersten Kontaktabschnitt (606,626) aufweist, wobei dieser erste Kontaktabschnitt (606,626) mit einem zweiten Kontaktabschnitt (306,346) der dem Substrat (2) abgewandten Oberfläche (302,342) einer der elektrisch leitfähigen Folien (30,34) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Kontaktabschnitt (606,626) auf der dem Substrat (2) abgewandten Oberfläche (302) der ersten elektrisch leitfähigen Folie (30) angeordnet ist und dieser in einer Ausnehmung (310), aller im Folienverbund folgenden Folien angeordnet ist.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Dicke der elektrisch leitfähigen Folie (30,34) zwischen 10 µm und 500 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 250 µm, beträgt und die Dicke der elektrisch isolierenden Folie (32) zwischen 2 µm und 200 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 100 µm, beträgt.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Anschlusselement (6) als Stiftkontaktelement (600) oder als Presspinkontaktelement (602) ausgebildet ist.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Anschlusselement (6) als eine Hülse (62) mit darin angeordnetem Kontaktelement (60), seinerseits ausgebildet als Stiftkontaktelement oder Presspinkontaktelement, ausgebildet ist, wobei hier ein dem Substrat (2) zugewandter Abschnitt der Hülse (62) den ersten Kontaktabschnitt (626) ausbildet.
Schalteinrichtung nach Anspruch 5, wobei das Kontaktelement (60) mit einem Abschnitt in der Hülse (62) angeordnet und kraftschlüssig und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Hülse (62) eine hohlzylinderartige oder eine becherartige Grundform, vorzugsweise mit einem zusätzlichen, vorzugsweise strukturierten, Randbereich (624), aufweist.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die stoffschlüssige Verbindung als Lotverbindung (420) oder als Schweißverbindung, insbesondere als Laserschweißverbindung (422), oder als Sinterverbindung (424) oder als Klebeverbindung ausgebildet ist.
Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teilgehäuse oder ein Gehäuse (7) das Substrat (2) umschließt oder einschließt und wobei das Anschlusselement (6) durch eine Gehäuseausnehmung (70) mit einem Abschnitt aus dem Gehäuse (7) oder dem Teilgehäuse herausragt.