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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers sowie ein Herstellungsverfahren für ein Leistungsmodul.
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Leistungsmodule werden dazu eingesetzt, Verbraucher wie zum Beispiel Elektromotoren mit einer für deren Betrieb notwendigen elektrischen Leistung in steuerbarer Weise zu versorgen. Solche Leistungsmodule werden teilweise auch als Powermodule, Inverter, Wandler oder Wechselrichter bezeichnet.
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Beispielsweise können Leistungsmodule dazu eingesetzt werden, in einem Fahrzeug elektrische Leistung von einer Batterie hin zu einem als Antrieb dienenden Elektromotor geregelt zur Verfügung zu stellen. Die steuerbare Leistungsversorgung kann dabei im Bereich von einigen Kilowatt bis hin zu mehreren 100 kW reichen.
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Die Leistungsmodule verfügen hierzu in der Regel über Leistungshalbleiter-Bauelemente (nachfolgend kurz als „Leistungshalbleiter“ bezeichnet) beispielsweise in Form von IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode; englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor), SiCs (Leistungsmodule mit Siliziumkarbid-MOSFETs) oder Power-MOSFETS, welche von einem Ansteuerschaltkreis gesteuert werden.
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Bei herkömmlichen Leistungsmodulen werden IGBTs oder SiC-Chips auf ein sogenanntes DCB (engl. Direct Copper Bonded), also eine Struktur, die eine enge elektrische und thermische Verbindung elektronischer Bauteile und Chips über Kupfer ermöglicht, aufgebracht, d.h. zum Beispiel aufgelötet oder aufgesintert. Das DCB kann dann beispielsweise auf eine Kupferplatte mit Kühlstruktur gesintert oder gelötet werden. Das Gesamtgebilde kann dann mediendicht ummoldet werden.
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Alternativ werden bei herkömmlichen Leistungsmodulen IGBT-Bauteile über ein sogenanntes Thermal-Interface-Material wie zum Beispiel eine Folie oder eine thermisch leitfähige Paste auf einen Kühlkörper montiert. Alternativ kann ein elektrisch isoliertes Gehäuse solcher Bauteile direkt auf den Kühlkörper gelötet bzw. gesintert werden. Eine elektrische Anbindung erfolgt in diesem Fall beispielsweise durch Aufschweißen auf ein Stanzgitter bzw. indem die Bauteile über Through-hole-Technik mit einer Leiterplatte verlötet werden.
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In der nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 206 523.6 ist ein Leistungsmodul beschrieben, bei welchem die Wärmeabführfläche, auch als „exposed pad“ bezeichnet, eines gehäusten Leistungshalbleiters auf einem Kühlkörper aufgebracht ist. Nachteilig hierbei ist, dass es erforderlich ist die Wärmeabführfläche des gehäusten Leistungshalbleiters elektrisch zu isolieren, bevor sie mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden kann. Diese elektrische Isolierung erfolgt üblicherweise schaltungselektrisch innerhalb des Leistungshalbleiters, wodurch der Aufbau des Leistungshalbleiters komplex ist und somit kostenintensiv.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit ein alternatives Leistungsmodul mit nicht elektrisch isolierten Leistungshalbleitern anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Herstellungsverfahrens für ein solches Leistungsmodul.
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Diese Aufgaben können durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers. Dabei weist das Leistungsmodul eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern mit jeweils einer elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche, eine Leiterplatte, einen Kühlkörper und eine oder mehrere Isolationsplatten auf. Die Leiterplatte ist an einer dem Kühlkörper in einer orthogonalen Richtung entgegengesetzten Seite der Leistungshalbleiter angeordnet ist. Die Isolationsplatten sind zwischen den gehäusten Leistungshalbleitern und einer Kühloberfläche des Kühlkörpers angeordnet. Je eine Isolationsplatte ist mit einer Seite formschlüssig an je eine elektrisch nicht isolierte Wärmeabführfläche eines gehäusten Leistungshalbleiters und mit der anderen Seite formschlüssig an den Kühlkörper angebunden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Wärmeabführflächen von mehreren gehäusten Leistungshalbleitern an eine gemeinsame Isolationsplatte angebunden sind.
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Da bei Leistungshalbleitern stets ein Teil der durchgeleiteten elektrischen Leistung in Form von Verlusten zu einer Erwärmung der Leistungshalbleiter führt, verfügen die gehäusten Leistungshalbleiter, wie bereits oben beschrieben, an einer Außenseite über eine Wärmeabführfläche. Eine solche Wärmeabführfläche wird teilweise auch als „exposed pad“ bezeichnet. Die Wärmeabführfläche kann als eine in den gehäusten Leistungshalbleiter integrierte und an einer Oberfläche freiliegende Schicht oder Platte aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel einem Metall, insbesondere Kupfer, ausgebildet sein. Bei der vorliegenden Erfindung sind diese Wärmeabführflächen nicht elektrisch isoliert.
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Bei dem hier beschriebenen Gesamtaufbaukonzept für ein Leistungsmodul ist jeder der gehäusten Leistungshalbleiter über eine Isolationsplatte an eine Kühloberfläche des Kühlkörpers thermisch angebunden. Hierzu kontaktiert die Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters die Isolationsplatte, welche wiederum die Kühloberfläche des Kühlkörpers in thermisch gut leitender Weise kontaktiert. Die Isolationsplatte kann dabei aus einer Keramik gefertigt sein und weist auf einer dem Leistungshalbleiter zugewandten Seite eine Metallisierung und auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seite ebenfalls eine Metallisierung auf. Der Leistungshalbleiter ist dabei formschlüssig, z.B. mittels Löten, Sintern, Kleben auf einer Seite an die Isolationsplatte aufgebracht. Ferner ist die Isolationsplatte formschlüssig auf einer anderen Seite auf den Kühlkörper, z.B. mittels Löten, Sintern, Kleben aufgebracht.
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Damit ist es möglich eine optimale formschlüssige Verbindung zwischen der Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters und der Isolationsplatte einerseits und der Isolationsplatte und dem Kühlkörper andererseits zu erzielen. Dadurch wird eine elektrische Isolierung zwischen der Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters und dem Kühlkörper bei gleichzeitig optimaler thermischer Ankopplung erreicht.
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Um Wärme aus den Leistungshalbleitern ableiten zu können, verfügt das Leistungsmodul, wie oben beschrieben, über einen Kühlkörper. Dieser Kühlkörper kann beispielsweise eine Metallplatte, insbesondere eine Kupferplatte sein. Gegebenenfalls kann der Kühlkörper über eine integrierte Kühlstruktur wie zum Beispiel Kühlrippen verfügen. Der Kühlkörper kann passiv gekühlt sein, beispielsweise durch Strahlungsaustausch und/oder Wärmeaustausch mit einem Umgebungsmedium. Alternativ kann der Kühlkörper aktiv gekühlt sein, beispielsweise durch ein durchströmendes Kühlmedium.
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Die Leiterplatte des Leistungsmoduls ist bei dem hier vorgeschlagenen Konzept an einer Seite der Leistungshalbleiter angeordnet, die in der orthogonalen Richtung entgegengesetzt zu der Seite ist, an der der Kühlkörper angeordnet ist. Anders ausgedrückt kann der Kühlkörper beispielsweise unterhalb der Leistungshalbleiter angeordnet sein, wohingegen dann die Leiterplatte oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnet ist. Die Leiterplatte kann dabei den gesamten Bereich, in dem die Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls angeordnet sind, überdecken bzw. seitlich, d.h. quer zu der orthogonalen Richtung, sogar über diesen Bereich hinausgehen.
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Die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter sollen dann die Leiterplatte elektrisch kontaktieren, um über diese beispielsweise elektrische Signale und/oder elektrische Leistung empfangen zu können. Hierzu sind an der Leiterplatte in einer ersten Variante an der zu den Leistungshalbleitern hin gerichteten Oberfläche Anschlussflächen vorgesehen, die elektrisch leitfähig sind und beispielsweise aus Metall bestehen.
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Beispielsweise können die Anschlusselemente mit Anschlussflächen an der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte elektrisch verbunden werden. Die parallel zu der Leiterplatte verlaufenden Anschlusselemente können hierbei an die Anschlussflächen der Leiterplatte angelagert und dann mit diesen elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Verlöten oder Schweißen. Insbesondere kann hierzu ein als Spaltkopflöten bezeichnetes Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Anschlusselemente an die Anschlussflächen angepresst werden und dann ein elektrischer Strom hindurch geführt wird, mithilfe dessen Wärme zum Aufschmelzen eines Lots erzeugt wird.
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In einer anderen Variante der Erfindung weist die Leiterplatte Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen, auch als vias oder via holes bekannt, weisen eine Metallisierung auf und dienen dabei als Anschlussfläche mit denen die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter kontaktiert sind (Through-hole-Technologie). Die Anschlusselemente werden dann in den Durchbrechungen z.B. verlötet.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Leistungsmodul ferner eine Dichtmasse aufweisen, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte gegen eine Umgebung hin abdeckt.
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Je nach Einsatzbedingungen kann es notwendig sein, Komponenten des Leistungsmoduls gegen eine Umgebung hin zu verkapseln, um sie beispielsweise vor einem Kontakt mit umgebenden fluiden Medien oder Verschmutzungen wie z.B. Metallspäne zu schützen. Beispielsweise sollte vermieden werden, dass Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser in Kontakt mit Komponenten des Leistungsmoduls gelangt, um beispielsweise elektrische Kurzschlüsse und/oder Korrosion zu vermeiden. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen ein Leistungsmodul innerhalb von sehr aggressiven Medien wie beispielsweise im Innern eines mit aggressivem Öl gefluteten Getriebes eingesetzt werden sollen, sollten die Komponenten des Leistungsmoduls dicht eingepackt bzw. verkapselt sein.
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Zu diesem Zweck kann das Leistungsmodul eine Dichtmasse aufweisen, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte gegen eine Umgebung hin abdeckt. Die Dichtmasse kann beispielsweise aus einem Material bestehen, welches sich flüssig oder viskos verarbeiten lässt und anschließend ausgehärtet werden kann. Beispielsweise kann die Dichtmasse mit einem Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff, einem thermoplastischen Kunststoff, einem Polymer und/oder einem Elastomer ausgebildet sein. Die Dichtmasse kann beispielsweise durch Spritzen, Molden, Gießen oder andere Prozesse verarbeitet werden.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen eines Kühlkörpers,
- b) Bestücken von ein oder mehreren Lotpreforms auf eine Kühloberfläche des Kühlkörpers,
- c) Bestücken von Isolationsplatten auf die Lotpreforms,
- d) Bestücken von Lotpreforms auf die Isolationsplatten,
- e) Bestücken von gehäusten Leistungshalbleiter mit der elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche auf die Lotpreforms,
- f) Durchführen eines Lötvorgangs, bei welchem die Isolationsplatten mit den gehäusten Leistungshalbleitern und mit dem Kühlkörper verlötet werden.
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Ein Lotpreform besteht aus Lotmaterial und kann z. B. in Form einer Scheibe oder als Folie vorliegen. Zur Positionierung der Preforms auf dem Träger können z. B. Lötrahmen verwendet werden, durch deren Geometrie die Position des Preforms und der zu lötenden Bauelemente auf dem Träger definiert werden. Die Geometrie wird also durch den Lötrahmen bestimmt, und diese müssen bei der Fertigung unterschiedlicher Baugruppen entsprechend vorgehalten werden. Es ist aber auch möglich, dass ein Lotpreform mittels SMD-Technologie in den Schritten c) und e) aufgebracht wird.
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Im Schritt f) werden in einem einzigen Lötvorgang die Lotpreforms zwischen den Isolationsplatten und dem Kühlkörper und die Lotperforms zwischen dem Isolationsplatten und dem Leistungshalbleiter gelötet.
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In einer Variante der Erfindung wird in Schritt g) eine Leiterplatte bereitgestellt, welche mit den Anschlusselementen der gehäusten Leistungshalbleiter verbunden wird. Die Anschlusselemente werden während der Fertigung des Leistungsmoduls in einfacher Weise an die Anschlussflächen elektrisch angebunden, beispielsweise indem sie an die Anschlussflächen angelötet werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
- 1 und 2 zeigen Schnittansichten durch Leistungsmodule gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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1 und 2 zeigen jeweils Schnittansichten durch ein Leistungsmodul 1 zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers (nicht dargestellt) wie beispielsweise eines Elektromotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine leicht modifizierte Variante des Leistungsmoduls 1 aus 1.
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Das Leistungsmodul 1 umfasst mehrere gehäuste Leistungshalbleiter 3, mehrere Isolationsplatten 50, eine Leiterplatte 5, einen Kühlkörper 7, sowie eine Dichtmasse 9. Der Kühlkörper 7 kann als Kühlplatte aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer ausgebildet sein und gegebenenfalls über Kühlstrukturen 21 verfügen. An der Leiterplatte 5 sind elektrische und/oder elektronische Bauelemente 11 vorgesehen, welche einen Ansteuerschaltkreis 13 zum Ansteuern der Leistungshalbleiter 3 bilden. Elektrische Leistung kann beispielsweise von einer Batterie über Außenanschlüsse (nicht dargestellt) eingespeist werden und über andere Außenanschlüsse (nicht dargestellt) dann gesteuert von dem Leistungsmodul 1 beispielsweise an Motorphasen eines Elektromotors geliefert werden.
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Jeder der Leistungshalbleiter 3 weist an seiner hin zu dem Kühlkörper 7 gerichteten Außenseite eine Wärmeabführfläche 15 auf. An dieser Wärmeabführfläche 15 ist an dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 eine metallische Fläche oder Platte vorgesehen, über die Wärme, die im Innern des gehäusten Leistungshalbleiters 3 beispielsweise von einem dort befindlichen, leistungssteuernden Halbleiterbauelement wie einem IGBT, einem SiC oder einem Power-MOSFET erzeugt wird, abgeleitet werden kann.
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Die gehäusten Leistungshalbleiter 3 verfügen dabei jeweils über elektrisch leitfähige Anschlusselemente 23. Die Anschlusselemente 23 dienen dazu, leistungssteuernde Strukturen beispielsweise in Form von Halbleiterbauelementen im Innern der gehäusten Leistungshalbleiter 3 elektrisch anzubinden, um diese mit Steuersignalen und/oder der zu steuernden elektrischen Leistung zu versorgen.
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Jeder der gehäusten Leistungshalbleiter 3 ist mit einer Isolationsplatte 50 verbunden. Die Isolationsplatte 50 ist hierbei zwischen dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 und dem Kühlkörper 7 angeordnet. Die Isolationsplatte 50 weist auf einer dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 zugewandten Oberseite 51a und auf einer dem Kühlkörper 7 zugewandten Unterseite 51b jeweils eine Metallisierung 51 auf. Zwischen der Metallisierung 51 und dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 sowie zwischen der Metallisierung 51 und dem Kühlkörper 7 sind ferner jeweils Lotpreforms 52 angeordnet.
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Die Lotpreforms 52 sind auf den jeweiligen Seiten 51a, 5b der Isolationsplatte 50 mit den Metallisierungen 51 thermisch verbunden. Während eines Lötprozesses verbinden auf der einen Seite 51a der Isolationsplatte 50 die Lotpreforms 52 die Isolationsplatte 50 mit der Wärmeabführfläche 15 des Leistungshalbleiters 3. Auf der anderen Seite 51b der Isolationsplatte verbinden die Lotpreforms 52 die Isolationsplatte 50 mit der Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7. Die Isolationsplatte 50 ist somit wärmeleitfähig an die Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 3 angebunden. Ferner ist die Wärmeabführfläche 15 des gehäusten Leistungshalbleiters 3 wärmeleitfähig über die Isolationsplatte 50 an die Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 angebunden.
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Die Leiterplatte 5 ist an einer Seite der Leistungshalbleiter 3 angeordnet, die in orthogonaler Richtung der Seite, an der der Kühlkörper 7 angeordnet ist, entgegengesetzt ist. Anders ausgedrückt befinden sich die Leistungshalbleiter 3 zwischen dem Kühlkörper 7 und der Leiterplatte 5.
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Die Anschlusselemente 23 der Leistungshalbleiter 3 sind derart angeordnet, dass die Anschlusselemente 23 Anschlussflächen 25 an der Leiterplatte 5 elektrisch kontaktieren. Bei der in den 1 dargestellten Ausführungsform sind hierzu die länglichen Anschlusselemente 23 seitlich neben den Leistungshalbleiter 3 angeordnet und kontaktieren dort die Anschlussflächen 25.
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2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Ausführungsform. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird in der Beschreibung zu 2 lediglich auf die Änderungen zu 1 eingegangen.
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Die Leiterplatte 5 weist Durchbrechungen 60 auf. Diese Durchbrechungen 60, auch als vias oder via holes bezeichnet, weisen eine Metallisierung auf und dienen somit neben Anschlussflächen 25 auf der Unter- und/oder Oberseite der Leiterplatte 5 als Anschlussflächen 25 für die Anschlusselemente 23 der Leistungshalbleiter 3. Die Durchbrechungen 60 sind dabei derart ausgebildet, dass die Anschlusselemente 23 durch die Leiterplatte 5 durchgreifen können. Damit ist es möglich, dass die Anschlusselemente 23 auf einer Seite der Leiterplatte 5, welche den Leistungshalbleitern 3 entgegengerichtet ist, an den Anschlussflächen 25 befestigt, z.B. verlötet werden können.
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3 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Kühlkörper 7 bereitgestellt. Anschließend wird in einem Schritt S2 die Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 mit ein oder mehreren Lotpreforms 52 bestückt. Diese Lotpreforms 52 werden in eine dritten Schritt S3 mit Isolationsplatten 50 bestückt. Anschließend werden in einem Schritt S4 die Isolationsplatten 50 mit Lotpreforms 52 bestückt. In einem abschließenden Bestückungsschritt S5 werden die gehäusten Leistungshalbleiter 3 mit der elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche 15 auf die Lotpreforms 52 angeordnet.
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In einem daran anschließenden Lötvorgang S6 werden die Lotpreforms 52 aufgeschmolzen, derart, dass die Isolationsplatten 50 mit den gehäusten Leistungshalbleitern 3 und mit dem Kühlkörper 7 verlötet werden. Dadurch wird eine thermische Verbindung zwischen der Wärmeabführfläche 15 der Leistungshalbleiter 3 und dem Kühlkörper 7 erreicht.
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In einem Schritt S7 wird eine Leiterplatte 5 bereitgestellt und in einem Schritt S8 werden die Anschlusselemente der gehäusten Leistungshalbleiter 3 mit der Leiterplatte 5 verbunden.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungsmodul
- 3
- Leistungshalbleiter
- 5
- Leiterplatte
- 7
- Kühlkörper
- 9
- Dichtmasse
- 11
- Bauelemente
- 13
- Ansteuerschaltkreis
- 15
- Wärmeabführfläche
- 17
- Kühloberfläche
- 21
- Kühlstrukturen
- 23
- Anschlusselemente
- 25
- Anschlussflächen
- 50
- Isolationsplatte
- 51
- Metallisierung
- 51a
- Oberseite der Isolationsplatte
- 51b
- Unterseite der Isolationsplatte
- 52
- Lotpreform
- 60
- Durchbrechung
- S1-S8
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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