DE102020208440A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls, Halbbrückenmodul und Inverter - Google Patents

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Pengshuai Wang
Ivonne Trenz
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls (10) für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend die Schritte:- Bereitstellen von Halbleiterschaltelementen mit Leistungskontakten und Signalkontakten, von mindestens zwei metallischen Kontaktierungselementen (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) in einem gemeinsamen Leiterrahmen (39) und von Moldmasse (11, 102),- Auflegen der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) auf die Leistungskontakte (104) und elektrisches Verbinden der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) mit den Leistungskontakten (105),- Transfermolden der Halbleiterschaltelemente und der mindestens zwei metallischen Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zumindest teilweise mittels der Moldmasse (11, 106) derart, dass Kontaktbahnen der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) seitlich aus der Moldmasse (11) herausragen.Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) vor dem Bereitstellen hergestellt werden, indem sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens herausgebogen werden (101).Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Halbbrückenmodul und einen entsprechenden Inverter.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Halbbrückenmodul und einen entsprechenden Inverter.
  • Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher ist zwischen eine Batterie und eine elektrische Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
  • Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Brückenmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrückenmodule, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Brückenmodulen rangieren.
  • In der DE 10 2006 050 291 A1 wird eine elektronische Baugruppe beschreibt, die einen Halbleiterleistungsschalter und eine Halbleiterdiode umfasst. Dabei umfasst eine untere Seite des Halbleiterleistungsschalters einen auf ein Chipfeld eines Trägerstreifens montierten Ausgangskontakt und eine obere Seite des Halbleiterleistungsschalters umfasst einen Steuerungskontakt und einen Eingangskontakt. Ein Anodenkontakt der Halbleiterdiode ist auf dem Eingangskontakt des Halbleiterleistungsschalters angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Ein Kathodenkontakt der Diode wird elektrisch mit dem Ausgangskontakt des Leistungshalbleiterschalters verbunden.
  • Die DE 10 2006 008 632 A1 offenbart ein Leistungshalbleiterbauteil, das einen Flachleiterrahmen, mindestens ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement und mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil umfasst. Das vertikale Leistungshalbleiterbauelement weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Mindestens eine erste Kontaktfläche und mindestens eine Steuerungskontaktfläche sind auf der ersten Seite angeordnet und eine zweite Kontaktfläche ist auf der zweiten Seite angeordnet. Das mindestens eine weitere elektronische Bauteil ist auf der zweiten Kontaktfläche des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet.
  • Die noch unveröffentlichte DE 10 2019 220 010.9 - deren Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung vollständig einbezogen sein soll - beschreibt ein Halbbrückenmodul, bei dem die Signalanschlüsse und die Leistungsanschlüsse alle an einer gemeinsamen Seite des Substrats angeordnet sind und von einer Moldmasse umgeben sind. Die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse sind allesamt von der gemeinsamen Seite des Substrats aus zugänglich, derart, dass sich die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse von der gemeinsamen Seite des Substrats aus gesehen durch die Moldmasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittsrichtung durch die Moldmasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
  • Die bekannten Halbbrückenmodule sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie zur Kontaktierung der Halbleiterschaltelemente lediglich plane, gestanzte Blechelemente verwenden. Die mögliche Anordnung der Halbleiterschaltelemente ist dadurch unflexibel und vergleichsweise starr festgelegt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend die Schritte:
    • - Bereitstellen von Halbleiterschaltelementen mit Leistungskontakten und Signalkontakten, von mindestens zwei metallischen Kontaktierungselementen in einem gemeinsamen Leiterrahmen und von Moldmasse,
    • - Auflegen der mindestens zwei Kontaktierungselemente auf die Leistungskontakte und elektrisches Verbinden der mindestens zwei Kontaktierungselemente mit den Leistungskontakten,
    • - Transfermolden der Halbleiterschaltelemente und der mindestens zwei metallischen Kontaktierungselemente zumindest teilweise mittels der Moldmasse derart, dass Kontaktbahnen der mindestens zwei Kontaktierungselemente seitlich aus der Moldmasse herausragen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente vor dem Bereitstellen hergestellt werden, indem sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens herausgebogen werden (101)..
  • Es ist erfindungsgemäß also ein Verfahren vorgesehen, welches die Herstellung eines Halbbrückenmoduls erlaubt, wie es zur Verwendung in einem Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs geeignet ist.
  • Zunächst werden dabei die zur Herstellung des Halbbrückenmoduls benötigten Komponenten, d.h. die Halbleiterschaltelemente, die mindestens zwei metallischen Kontaktierungselemente und die Moldmasse bereitgestellt.
  • Bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass die Halbleiterschaltelemente als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode und/oder als Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode sind im Allgemeinen auch als sog. IGBTs bekannt und Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind im Allgemeinen auch als sog. SiC-Mosfets bekannt. Diese Arten von Halbleiterschaltelementen sind vergleichsweise gut zum verlustarmen und schnellen Schalten auch von hohen Strömen geeignet.
  • Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass jedem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode eine Freilaufdiode zugeordnet ist. Die Freilaufdioden schützen den ihnen jeweils zugeordneten Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode vor induktiven Überspannungen insbesondere beim Schalten von hohen elektrischen Leistungen.
  • Über die Leistungskontakte der Halbleiterschaltelemente wird die elektrische Versorgung des Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs gewährleistet.
  • Die Signalkontakte dienen zum elektrischen Schalten der Halbleiterschaltelemente. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Bestromung der Signalkontakte mittels eines Ansteuerstroms oder durch eine Spannungsbeaufschlagung der Signalkontakte mittels einer Ansteuerspannung das Halbleiterschaltelement stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden und somit eine elektrische Leistungsübertragung über die Leistungskontakte eines Halbleiterschaltelements zugelassen oder unterbrochen werden.
  • Die metallischen Kontaktierungselemente sind bevorzugt aus einem Blech gestanzt und weisen je nach Bedarf, d.h. je nach zu führender Stromstärke, eine geeignete Blechstärke und ein geeignetes Material auf, insbesondere Kupfer.
  • In einem folgenden Schritte werden nun die Halbleiterschaltelemente mit den mindestens zwei Kontaktierungselementen elektrisch verbunden. Dazu werden die Kontaktierungselemente zunächst zumindest auf die Leistungskontakte der Halbleiterschaltelemente aufgelegt und daraufhin wird eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, beispielsweise mittels Lötens oder Sinterns.
  • Die durch die Kontaktierungselemente zu kontaktierenden Leistungskontakte sowie ggf. weitere durch die Kontaktierungselemente zu kontaktierende Kontakte befinden sich vorteilhaft alle auf einer Oberseite des Halbbrückenmoduls und weisen in eine gemeinsame Richtung, insbesondere nach oben.
  • Die Leistungskontakte sind vorzugsweise als Minus-Kontakte, als Phase- Kontakte und als Plus-Kontakte ausgebildet, wobei die Plus-Kontakte der Zuleitung von elektrischem Strom dienen und die Minus- Kontakte der Ableitung von elektrischem Strom dienen. Die Phase-Kontakte schließlich dienen der eigentlichen Versorgung des Elektromotors mit elektrischem Strom durch Bereitstellen einer Wechselspannung.
  • Vorzugsweise ist ein Kontaktierungselement der mindestens zwei Kontaktierungselemente mit den Phase-Kontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden und ein weiteres Kontaktierungselement der mindestens zwei Kontaktierungselemente ist mit den Minus-Kontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden. Ggf. weitere Kontaktierungselemente können mit den Plus-Kontakten der Halbleiterschaltelemente und mit den Signalkontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden werden.
  • Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Halbbrückenmodul zwei zusätzliche elektrische Kontakte umfasst, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul derart ausgeführt ist, dass eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom ermöglicht wird. Bei einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode kann dabei einer der zwei zusätzlichen elektrischen Kontakte als sog. Kelvin-Emitter verwendet werden und bei einem Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor kann einer der zwei zusätzlichen elektrischen Kontakte als sog. Kelvin-Source verwendet werden. Sowohl der sog. Kelvin-Emitter als auch die sog. Kelvin-Source dienen als Rückleiter für einen Ansteuerstrom. Über diese Art der elektrischen Kontaktierung wird die Rückwirkung des Laststroms auf den Ansteuerstrom minimiert. Weiterhin kann ein Leistungskontakt in Verbindung mit einem der zwei zusätzlichen elektrischen Kontakte dazu verwendet werden, eine induktive Kurzschlussdetektion zu ermöglichen. Dazu wird bevorzugt der Spannungsabfall zwischen dem jeweiligen Leistungskontakt und dem jeweiligen zusätzlichen elektrischen Kontakt gemessen. Zur elektrischen Kontaktierung der zwei zusätzlichen elektrischen Kontakte können ebenfalls Kontaktierungselemente herangezogen werden.
  • Nachdem die Halbleiterschaltelemente mit den Kontaktierungselementen elektrisch verbunden wurden, werden sowohl die Halbleiterschaltelemente als auch die Kontaktierungselemente zumindest derart mittels der Moldmasse in einem Transfermoldschritt gemoldet, dass Kontaktbahnen der mindestens zwei Kontaktierungselemente seitlich aus der Moldmasse herausragen. Diese seitlich aus der Moldmasse herausragenden Kontaktbahnen können dann im Betrieb des Halbbrückenmoduls zur elektrischen Anbindung des Halbbrückenmoduls in einem Inverter verwendet werden.
  • Zur Definition des Begriffs „seitlich aus der Moldmasse herausragen“ im Sinne der Erfindung wird zunächst vorausgesetzt, dass das mittels der Moldmasse transfergemoldete Halbbrückenmodul im Wesentlichen einen flachen, rechteckigen Körper darstellt, welcher eine vergleichsweise große Oberseite sowie eine vergleichsweise große Unterseite aufweist. Die orthogonal zur Oberseite und zur Unterseite ausgerichteten Seitenflächen des Halbbrückenmoduls hingegen sind aufgrund der flachen Ausbildung des Halbbrückenmoduls vergleichsweise klein. Dass nun „Kontaktbahnen der Kontaktierungselemente seitlich aus der Moldmasse herausragen“ bedeutet also, dass die Kontaktbahnen der Kontaktierungselemente aus den vergleichsweise kleinen Seitenflächen aus dem Halbbrückenmodul herausragen.
  • Die Moldmasse bietet dabei auch Schutz der gemoldeten Komponenten gegen Umwelteinflüsse.
  • Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente vor dem Bereitstellen hergestellt werden, indem sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens herausgebogen werden. Die Kontaktierungselemente weisen somit eine dreidimensionale Ausprägung auf, d.h. sie haben durch Biegen erzeugte Erhebungen und durch Biegen erzeugte Absenkungen. Die Erhebungen und Absenkungen können auch treppenartig ausgebildet sein und Zwischenstufen auf verschiedenen Ebenen aufweisen. Durch dieses Ausnutzen der dritten Dimension in der Gestaltung der Kontaktierungselemente ergibt sich der Vorteil, dass eine größere Flexibilität in der Gestaltung der Kontaktierungselemente ermöglicht wird und sich damit zusätzliche Möglichkeiten der Kontaktierung durch die Kontaktierungselemente ergeben. Insbesondere können Abstände zwischen verschiedenen Kontaktierungselementen durch Ausweichen in die dritte Dimension vergrößert werden, so dass sich auch verlängerte Luft- bzw. Kriechstrecken ergeben. Weiterhin können durch Ausweichen in die dritte Dimension auch Überschneidungen verschiedener Kontaktierungselemente vermieden werden.
  • Vorzugsweise weisen unterschiedliche Kontaktierungselemente jeweils einen Mindestabstand zueinander auf, wobei der Mindestabstand einer Materialdicke der Kontaktierungselemente bzw. des Leiterrahmens entspricht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass Abschnitte zumindest einiger der Kontaktierungselemente zu wellenförmigen Ausgleichsbereichen gebogen werden. Die wellenförmigen Ausgleichsbereiche sind dabei auch unter vergleichsweise geringen Kräften dehnbar, stauchbar und biegbar, sodass beim Stanzen der Kontaktierungselemente oder beim Verbinden der Kontaktierungselemente mit den Kontakten der Halbleiterschaltelemente auftretende Toleranzen auf einfache Weise ausgeglichen werden können. Die wellenförmigen Ausgleichsbereiche dienen außerdem zum Längenausgleich bei der Herstellung bestimmter Geometrien der Kontaktierungselemente, insbesondere um durch Biegevorgänge, die Abschnitte eines Kontaktierungselements aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens herausführen, erzeugte Verkürzungen in der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens auszugleichen. Zudem ermöglichen sie einen Höhenausgleich verschiedener Abschnitte der Kontaktierungselemente im gemeinsamen Leiterrahmen und können darüber hinaus als Toleranzbereiche beim Transfermolden herangezogen werden.
  • Gemäß einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente im gemeinsamen Leiterrahmen gleichzeitig mittels eines einzigen Werkzeugs gebogen werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sämtliche Kontaktierungselemente mit dem Leiterrahmen in nur einem einzigen Stanz- und Biegeschritt erzeugt werden können. Somit vereinfacht und beschleunigt sich die Herstellung des Halbbrückenmoduls noch weiter.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der gemeinsame Leiterrahmen auch Kontaktierungselemente zur Kontaktierung der Signalkontakte umfasst, wobei die Kontaktierungselemente zur Kontaktierung der Signalkontakte mittels Bonddrähten mit den Signalkontakten elektrisch verbunden werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch die zur elektrischen Kontaktierung der Signalanschlüsse notwendigen Kontaktierungselemente gemeinsam mit den mindestens zwei Kontaktierungselementen elektrischen Kontaktierung der Leistungsanschlüsse aufgelegt, elektrisch verbunden und transfergemoldet werden können. Somit vereinfacht sich die Herstellung des Halbbrückenmoduls noch weiter. Die Kontaktierung der Signalkontakte mittels Bonddrähten erlaubt dabei eine flexible und präzise Kontaktierung auch der vergleichsweise kleinflächigen Signalkontakte. Da die den Signalkontakten zuzuführenden Ansteuerströme bzw. Ansteuerspannungen vergleichsweise gering sind, kann die notwendige elektrische Leitfähigkeit auch durch Drähte gewährleistet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente hergestellt werden, indem die Kontaktierungselemente umgebende Flächen innerhalb des gemeinsamen Leiterrahmens ausgestanzt werden. Der Leiterrahmen und die mindestens zwei Kontaktierungselemente stellen anfangs also ein vollflächiges Stück Blech dar, aus dem durch Ausstanzen von nichtbenötigten Teilflächen, also von die mindestens zwei Kontaktierungselemente umgebenden Flächen, die Kontaktierungselemente erzeugt werden. Der Leiterrahmen bleibt dabei vorzugsweise als ein rechteckiger, insbesondere quadratischer, Blechrahmen erhalten, in dessen Inneren sich die Kontaktierungselemente befinden. Die Kontaktierungselemente sind dabei vorzugsweise über ihre äußeren Enden der Kontaktbahnen mit dem Leiterrahmen verbunden.
  • Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente als ein einziges, über den gemeinsamen Leiterrahmen verbundenes Bauteil auf die Leistungskontakte aufgelegt werden und erst nach dem Transfermolden der gemeinsame Leiterrahmen von den mindestens zwei Kontaktierungselementen getrennt wird. Das bedeutet also, dass nicht jedes Kontaktierungselement einzeln und unabhängig von den anderen Kontaktierungselementen aufgenommen, aufgelegt und ausgerichtet werden muss. Stattdessen sind die mindestens zwei Kontaktierungselemente, ggf. auch mehr Kontaktierungselemente, innerhalb des gemeinsamen Leiterrahmens angeordnet. Die Kontaktierungselemente sind dabei vorzugsweise ausschließlich durch ihre Kontaktbahnen, welche nach dem Transfermolden seitlich aus der Moldmasse herausragen, mit dem Leiterrahmen verbunden. Indem nun der Leiterrahmen aufgenommen, aufgelegt und ausgerichtet wird, werden damit auch alle über den gemeinsamen Leiterrahmen verbundenen Kontaktierungselemente wie ein einziges Bauteil aufgenommen, aufgelegt und ausgerichtet. Darüber hinaus muss auch nicht jedes Kontaktierungselement während des Transfermoldens einzeln an seiner Position und in seiner Ausrichtung gehalten werden. Vielmehr ist es ausreichend, den Leiterrahmen in seiner Position und Ausrichtung zu halten. Nach dem Abschluss des Transfermoldens wird der gemeinsame Leiterrahmen bevorzugt mittels eines einzigen Stanzvorgangs von allen Kontaktierungselementen gleichzeitig abgestanzt bzw. getrennt.
  • Der Leiterrahmen ist dabei vorzugsweise aus demselben Material hergestellt wie die Kontaktierungselemente. Er stellt insbesondere einen Überrest des Ausgangsmaterials dar, aus dem die Kontaktierungselemente durch Stanzen hergestellt wurden, von dem die Kontaktierungselemente aber erst im nach dem Transfermolden vollständig getrennt werden.
  • Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Herstellung des Halbbrückenmoduls vereinfacht wird, was zu einer Beschleunigung und Kostenreduzierung der Herstellung führt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass weiterhin ein Substrat bereitgestellt wird und die Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat angeordnet werden. Das Substrat kann beispielsweise als DBC-(Direct Bonded Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein kann. Auf dem Substrat sind einerseits die Halbleiterschaltelemente angeordnet und andererseits die zugehörigen Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse. Dem Substrat kommt somit eine Trägerfunktion zu. Das Substrat ist weiterhin bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein.
  • Die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüsse bzw. die Signalanschlüsse des Halbbrückenmoduls sind bevorzugt alle auf einer Oberseite des Substrats angeordnet und können dort auf einfache Weise kontaktiert werden.
  • Alternativ bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass das Transfermolden derart erfolgt, dass die Kontaktierungselemente in Verbindung mit der Moldmasse eine mechanische Tragefunktion für die Halbleiterschaltelemente erfüllen. In diesem Fall ist das Heranziehen eines Substrats nicht erforderlich.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die aus der Moldmasse herausragenden Kontaktbahnen nach oben gebogen werden. Die Kontaktbahnen der Kontaktierungselemente weisen dann also in Richtung einer Senkrechten auf der Oberseite des Halbbrückenmoduls. Die nach oben gebogenen Kontaktbahnen begünstigen dabei eine einfache und somit kostengünstige elektrische Kontaktierung der Kontaktbahnen.
  • Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die aus der Moldmasse herausragenden Kontaktbahnen weiter gebogen werden, so dass sie parallel zu einer Oberseite des Halbbrückenmoduls ausgerichtet sind und innerhalb einer von der Moldmasse aufgespannten Grundfläche angeordnet sind. Dieser weitere Biegevorgang führt also dazu, dass die Kontaktbahnen im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sind, wobei die Enden der Kontaktbahnen parallel zur Oberseite ausgerichtet sind und insbesondere sogar auf der Moldmasse aufliegen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen gleichzeitig hergestellt wird, wobei eine der Vielzahl von Halbbrückenmodulen entsprechende Vielzahl von gemeinsamen Leiterrahmen in Form eines über ihre Seitenkanten verbundenen Streifens von Leiterrahmen bereitgestellt wird. Dazu kann beispielsweise eine Vielzahl von Leiterrahmen mit darin angeordneten Kontaktierungselementen mittels eines einzigen Stanzvorgangs aus einem gemeinsamen Streifen Blech hergestellt werden. Somit vereinfacht und beschleunigt sich die Herstellung des Halbbrückenmoduls nochmals weiter.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbbrückenmodul sowie einen Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbbrückenmodul.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 beispielhaft und schematisch Kontaktierungselemente in einem gemeinsamen Leiterrahmen,
    • 2 in Schrägsicht beispielhaft und schematisch drei weitere mögliche Ausbildungsformen von Kontaktierungselementen in einem gemeinsamen Leiterrahmen,
    • 3 beispielhaft und schematisch vier gemeinsame Leiterrahmen, die in Form eines über ihre Seitenkanten verbundenen Streifens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden,
    • 4 beispielhaft und schematisch vier mittels des Streifens der 3 gleichzeitig hergestellte Halbbrückenmodule,
    • 5 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Halbbrückenmoduls und
    • 6 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs in Form eines Flussdiagramms.
  • Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • 1 zeigt beispielhaft und schematisch Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 in einem gemeinsamen Leiterrahmen 30. Wie zu sehen ist, stellen die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 mit dem Leiterrahmen 30 ein gemeinsames, einstückiges Bauteil dar. Die Kontaktierungselementn 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 sowie der Leiterrahmen 30 bestehen aus einem Blech, beispielsgemäß aus einem Kupferblech. Die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 befinden sich im Inneren des Leiterrahmens 30 und sind jeweils mit den äußeren Enden ihrer Kontaktbahnen mit dem Leiterrahmen 30 verbunden. Die Herstellung der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 im Leiterrahmen 30 erfolgte mittels eines einzigen Stanzvorgangs, bei dem die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 umgebende Flächen innerhalb des gemeinsamen Leiterrahmens 30 ausgestanzt wurden, so dass nur die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 bildenden Flächen erhalten geblieben sind. Über die Justageöffnungen 31 kann der Leiterrahmen zur Anordnung auf den in 1 nicht dargestellten Halbleiterschaltelementen justiert werden.
  • 2 zeigt in Schrägsicht beispielhaft und schematisch drei weitere mögliche Ausbildungsformen der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 in einem gemeinsamen Leiterrahmen 30. Die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 der 2 unterscheiden sich von den Kontaktierungselementen 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 der 1 jeweils durch ihre Stanzform sowie dadurch, dass sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens 30 herausgebogen sind. Dabei weisen die 2a, 2b und 2c jeweils unterschiedliche Formen von Biegungen auf. Durch dieses Ausnutzen der dritten Dimension in der Gestaltung der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 ergibt sich der Vorteil, dass eine größere Flexibilität in der Gestaltung der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 ermöglicht wird und sich damit zusätzliche Möglichkeiten der Kontaktierung durch die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 ergeben.
  • 3 zeigt beispielhaft und schematisch vier gemeinsame Leiterrahmen 30, die in Form eines über ihre Seitenkanten verbundenen Streifens 32 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden. Jeder der vier Leiterrahmen 30 enthält dabei identische Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, vier Halbbrückenmodule 10 gleichzeitig herzustellen.
  • 4 zeigt beispielhaft und schematisch vier mittels des Streifens 32 der 3 gleichzeitig hergestellte Halbbrückenmodule 10. Die vier Halbbrückenmodule 10 sind dabei noch über den Streifen 32 miteinander verbunden. In einem weiteren Stanzschritt können die vier Halbbrückenmodule 10 bzw. die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 aus dem jeweiligen Leiterrahmen 30 gleichzeitig ausgestanzt werden, so dass die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 vom Leiterrahmen 30 getrennt werden.
  • 5 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Halbbrückenmoduls 10. Die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 des Halbbrückenmoduls 10 sind dabei noch mit dem gemeinsamen Leiterrahmen 30 verbunden und müssen noch in einem späteren Stanzschritt von diesem getrennt werden. Wie zu sehen ist, weisen die Kontaktbahnen der Kontaktierungselemente 23 und 24 jeweils eine Biegung 28 aus der Ebene des Leiterrahmens 30 auf, wobei sie derart gebogen sind, dass sie in einer höherliegenden, aber zur Ebene des Leiterrahmens 30 parallelen Ebene des Leiterrahmens 30 aus einer Moldmasse 11 des Halbbrückenmoduls 10 austreten. Die Biegungen 28 sind dabei gleichzeitig als wellenförmige Ausgleichsbereiche 28 ausgebildet, welche auch unter vergleichsweise geringen Kräften dehnbar, stauchbar und biegbar sind, so dass beim Stanzen der Kontaktierungselemente 23 und 24 oder beim Verbinden der Kontaktierungselemente 23 und 24 mit den Kontakten der Halbleiterschaltelemente auftretende Toleranzen auf einfache Weise ausgeglichen werden können. Zudem ermöglichen sie einen durch Biegevorgänge ggf. erforderlichen Längenausgleich in der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens 30 bzw. einen Höhenausgleich.
  • 6 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs in Form eines Flussdiagramms. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird dabei ein Streifen 32 aus Kupferblech bereitgestellt. Im folgenden Schritt 101 werden durch Stanzen je mindestens zwei Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 in insgesamt fünf Leiterrahmen 30 im Streifen 32 hergestellt, indem die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 umgebende Flächen jeweils innerhalb des gemeinsamen Leiterrahmens 32 ausgestanzt werden. Im gleichen Verfahrensschritt 101 werden die mindestens zwei Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 weiterhin hergestellt, indem sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens 32 herausgebogen werden, wobei auch einige Abschnitte zumindest einiger der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 zu wellenförmigen Ausgleichsbereichen 28 gebogen werden. Im folgenden Schritt 102 werden die Halbleiterschaltelemente mit Leistungskontakten und Signalkontakten, mindestens zwei metallische Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 aus Kupferblech je herzustellendem Halbbrückenmodul 10, fünf Substrate sowie Moldmasse 11 bereitgestellt. In Schritt 103 werden die Halbleiterschaltelemente auf den fünf Substraten angeordnet und befestigt und in Schritt 104 erfolgt das Auflegen der mindestens zwei Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 je herzustellendem Halbbrückenmodul 10 auf die entsprechenden Leistungskontakte und die Signalkontakte. Die Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 sind dabei noch innerhalb der Leiterrahmen 30 angeordnet und die Leiterrahmen 30 sind noch zu einem Streifen 32 verbunden. In Schritt 105 erfolgt das elektrische Verbinden der mindestens zwei Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 je Leiterrahmen 30 mit den Leistungskontakten und Signalkontakten mittels Lötens. Im folgenden Verfahrensschritt 106 erfolgt das Transfermolden der Halbleiterschaltelemente und der metallischen Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 zumindest teilweise mittels der Moldmasse 11 derart, dass Kontaktbahnen der Kontaktierungselemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 seitlich aus der Moldmasse 11 herausragen. In einem letzten Verfahrensschritt 107 werden die fünf Leiterrahmen 30 jeweils von ihren innenliegenden Kontaktierungselementen 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 mittels Stanzens getrennt. Dieser Schritt stellt auch die Vereinzelung der fünf Halbbrückenmodule 10 dar.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Halbbrückenmodul
    11
    Moldmasse
    20
    Kontaktierungselemente
    21
    Kontaktierungselement
    22
    Kontaktierungselement
    23
    Kontaktierungselement
    24
    Kontaktierungselement
    25
    Kontaktierungselement
    26
    Kontaktierungselement
    27
    Kontaktierungselement
    28
    Biegung, wellenförmiger Ausgleichsbereich
    30
    Leiterrahmen
    31
    Justageöffnung
    32
    Streifen
    100
    Bereitstellen eines Streifens
    101
    Stanzen des Leiterrahmen, Stanzen und Biegen der Kontaktierungselemente
    102
    Bereitstellen von Halbleiterschaltelementen mit Leistungskontakten und Signalkontakten, von mindestens zwei metallischen Kontaktierungselemente und von Moldmasse
    103
    Anordnung der Halbleiterschaltelemente
    104
    Auflegen der mindestens zwei Kontaktierungselemente
    105
    elektrisches Verbinden der mindestens zwei Kontaktierungselemente
    106
    Transfermolden der Halbleiterschaltelemente und der metallischen Kontaktierungselemente
    107
    Abstanzen des gemeinsamen Leiterrahmens von den mindestens zwei Kontaktierungselemente
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006050291 A1 [0004]
    • DE 102006008632 A1 [0005]
    • DE 102019220010 [0006]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbbrückenmoduls (10) für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend die Schritte: - Bereitstellen von Halbleiterschaltelementen mit Leistungskontakten und Signalkontakten, von mindestens zwei metallischen Kontaktierungselementen (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) in einem gemeinsamen Leiterrahmen (39) und von Moldmasse (11, 102), - Auflegen der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) auf die Leistungskontakte (104) und elektrisches Verbinden der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) mit den Leistungskontakten (105), - Transfermolden der Halbleiterschaltelemente und der mindestens zwei metallischen Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zumindest teilweise mittels der Moldmasse (11, 106) derart, dass Kontaktbahnen der mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) seitlich aus der Moldmasse (11) herausragen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) vor dem Bereitstellen hergestellt werden, indem sie teilweise aus der Ebene des gemeinsamen Leiterrahmens herausgebogen werden (101).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte zumindest einiger der Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zu wellenförmigen Ausgleichsbereichen (28) gebogen werden.
  3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) im gemeinsamen Leiterrahmen (30) gleichzeitig mittels eines einzigen Werkzeugs gebogen werden (101).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Leiterrahmen (30) auch Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zur Kontaktierung der Signalkontakte umfasst, wobei die Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) zur Kontaktierung der Signalkontakte mittels Bonddrähten mit den Signalkontakten elektrisch verbunden werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) hergestellt werden, indem die Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) umgebende Flächen innerhalb des gemeinsamen Leiterrahmens (30) ausgestanzt werden (101).
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kontaktierungselemente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) als ein einziges, über den gemeinsamen Leiterrahmen (30) verbundenes Bauteil auf die Leistungskontakte aufgelegt werden (104) und erst nach dem Transfermolden der gemeinsame Leiterrahmen (30) von den mindestens zwei Kontaktierungselementen (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) getrennt wird (107).
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Substrat bereitgestellt (102) wird und die Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat angeordnet werden (103).
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Moldmasse (11 herausragenden Kontaktbahnen nach oben gebogen werden.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen (10) gleichzeitig hergestellt wird, wobei eine der Vielzahl von Halbbrückenmodulen (10) entsprechende Vielzahl von gemeinsamen Leiterrahmen (30) in Form eines über ihre Seitenkanten verbundenen Streifens (32) von Leiterrahmen (30) bereitgestellt wird (100).
  10. Halbbrückenmodul (10), hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens ein Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 10.
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