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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für eine (leistungs-)elektrische Schaltung sowie eine leistungselektrische Schaltung mit einem genannten Schaltungsträger.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
- Schaltungsträger für (leistungs-)elektrische Schaltungen finden nahezu in allen (leistungs-)elektrotechnischen Gebieten ihre Anmeldungen. Wie bei allen technischen Anordnungen besteht für die (leistungs-)elektrischen Schaltungen und somit auch für die Schaltungsträger die allgemeine Anforderung, diese zuverlässiger zu gestalten.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, einen zuverlässigen Schaltungsträger und somit eine zuverlässige (leistungs-)elektrische Schaltung mit einem genannten Schaltungsträger bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände gemäß unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schaltungsträger für eine (leistungs-)elektrische Schaltung bereitgestellt.
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Der Schaltungsträger weist einen elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Keramikisolator in Form von einer Isolationsschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten, von der ersten Oberfläche abgewandten Oberfläche auf. Dabei weisen die beiden Oberflächen insb. weitgehend gleichgroße Flächengrößen auf.
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Der Schaltungsträger weist ferner eine erste Metallschicht in Form von einer Metallfolie oder einem Metallplättchen bzw. einem Metallblech zur Herstellung einer elektrischen Verbindung der Schaltung auf. Die erste Metallschicht liegt auf der ersten Oberfläche auf und ist mit dem Keramikisolator körperlich und thermisch verbunden.
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Zudem weist der Schaltungsträger eine zweite Metallschicht in Form von einer weiteren Metallfolie oder einem weiteren Metallplättchen bzw. einem weiteren Metallblech zur Kühlung der Schaltung auf. Die zweite Metallschicht liegt auf der zweiten Oberfläche auf und ist mit dem Keramikisolator körperlich und thermisch verbunden.
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Darüber hinaus weist der Schaltungsträger Ausnehmungen, insb. in Form von Vertiefungen, auf, die auf oder in der zweiten Metallschicht gebildet sind und sich nicht in oder durch den Keramikisolator erstrecken.
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Der Keramikisolator verbindet in erster Linie die beiden Metallschichten miteinander körperlich wie thermisch und dient zur Wärmeübertragung von der ersten Metallschicht zu der zweiten Metallschicht. Darüber hinaus dient der Keramikisolator zur elektrischen Isolation zwischen den beiden Metallschichten. Zudem verleiht der Keramikisolator als Trägerelement des Schaltungsträgers dem Schaltungsträger bzw. der elektrischen Schaltung die erforderliche mechanische Stabilität.
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Die erste Metallschicht dient zur Herstellung elektrischer Verbindungen der Schaltung und ist somit derart geformt, dass diese Leiterbahnstruktur aufweist. Entsprechend ist der Begriff „die erste Metallschicht“ vielmehr ein Sammelbegriff von mehreren Leiterbahnen in Form Metallschichten, die bspw. auch körperlich nicht zusammenhängen. Durch die entsprechende Leiterbahnstruktur weist die erste Metallschicht keine zusammenhängende durchgehende Fläche auf und bedeckt somit die erste Oberfläche des Keramikisolators nur teilweise.
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Die zweite Metallschicht dient zur Kühlung der Schaltung ist somit zur effizienteren Abführung von Abwärme breitflächig bzw. flächig ausgedehnt ausgeführt und bedeckt die zweite Oberfläche flächig ausgedehnt nahezu vollständig. Entsprechend weist die zweite Metallschicht - ohne Berücksichtigung der genannten Ausnehmungen - eine (wesentlich) größere Flächengröße und somit im Falle, dass die beiden Metallschichten dieselbe Schichtstärke aufweisen, oder dass die zweite Metallschicht eine höhere Schichtstärke aufweist als die erste Metallschicht, ein größeres Volumen bzw. eine größere Materialmenge als die erste Metallschicht auf. Aufgrund der Leiterbahnstruktur bei der ersten Metallschicht kann die zweite Metallschicht - ohne Berücksichtigung der genannten Ausnehmungen - auch im Falle, dass die erste Metallschicht eine (wesentlich) höhere Schichtstärke aufweist als die zweite Metallschicht, ein größeres Volumen bzw. eine größere Materialmenge als die erste Metallschicht aufweisen.
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Diese unterschiedlichen Materialmengen bei den beiden auf den beiden voneinander abgewandt liegenden Oberflächen des Keramikisolators verteilt angeordneten Metallschichten führen zu unterschiedlichen Verzugsspannungen, die von den jeweiligen Metallschichten auf den Isolator einwirken. Diese unterschiedlichen Verzugsspannungen können wiederum zu einem Verzugseffekt führen, bei dem sich der Isolator und somit der gesamte Schaltungsträger verbiegen. Dies kann wiederum zu einer Qualitätseinbuße bzw. einer erhöhten Ausschussquote bei dem Schaltungsträger bzw. einer elektrischen Schaltung mit dem Schaltungsträger führen.
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Durch die Ausnehmungen auf bzw. in der zweiten Metallschicht wird in erster Linie die Materialmenge der zweiten Metallschicht reduziert, ohne dass die von der zweiten Metallschicht überspannte Kontakt- bzw. Wärmeübertragungsfläche von der zweiten Metallschicht zum Isolator verkleinert werden muss. Dadurch weist die zweite Metallschicht eine ähnliche Materialmenge und somit eine ähnliche Verzugsspannung wie die erste Metallschicht auf. Die Differenz der beiden Verzugsspannungen, die von den jeweiligen Metallschichten auf den Keramikisolator einwirken, und der damit gebundene Verzugseffekt werden durch die genannten Ausnehmungen unter vorgegebene Grenzwerte reduziert. Folglich werden negative Auswirkungen des Verzugseffekts bei dem Isolator bzw. dem Schaltungsträger in Grenzen gehalten. Entsprechend werden die verzugseffekt-bedingte Qualitätseinbuße bzw. die verzugseffekt-bedingte Ausschussquote bei dem Schaltungsträger bzw. der elektrischen Schaltung mit dem Schaltungsträger in Grenzen gehalten bzw. vermieden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, einen zuverlässigen Schaltungsträger und somit eine zuverlässige elektrische Schaltung mit dem genannten Schaltungsträger bereitzustellen.
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Die genannten Ausnehmungen sind, insb. ausschließlich, auf oder in der zweiten Metallschicht gebildet und erstrecken sich nicht in oder durch den Keramikisolator. Insb. fluchten die genannten Ausnehmungen auf oder in der zweiten Metallschicht nicht mit sonstigen Ausnehmungen auf oder in dem Keramikisolator, sollte der Keramikisolator diese sonstigen Ausnehmungen, wie z. B. Befestigungslöcher zur Befestigung der ersten und/oder der zweiten Metallschicht, aufweisen.
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Bspw. bestehen die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus demselben metallischen Material, insb. aus demselben Metall oder aus derselben Metalllegierung oder aus Kupfer oder aus derselben Kupferlegierung.
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Bspw. sind die beiden Metallschichten als Metallfolien oder als Metallplättchen bzw. als Metallbleche durch Ausstanzen oder Laserstrahlschneiden geformt. Bspw. sind die Ausnehmungen durch Ätzen in einem Ätzvorgang geformt. Insb. sind die Ausnehmungen in demselben Ätzvorgang geformt, in dem auch die Leiterbahnstruktur auf bzw. in der ersten Metallschicht geformt wird.
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Bspw. dringen die Ausnehmungen die zweite Metallschicht nur teilweise bzw. nicht vollständig durch. Alternativ können die Ausnehmungen die zweite Metallschicht vollständig durchdringen, wobei in diesem Fall die Ausnehmungen sich nicht in oder durch den Keramikisolator erstrecken bzw. durch den Keramikisolator vollständig durchdringen. Insb. sind die Ausnehmungen in Form von Sacklöchern oder Durchgangslöchern geformt, die die zweite Metallschicht nur teilweise oder vollständig durchdringen.
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Bspw. sind die Ausnehmungen an Randbereichen der zweiten Metallschicht verteilt angeordnet. Insb. sind die Ausnehmungen zueinander äquidistant verteilt angeordnet.
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Bspw. sind die Ausnehmungen, insb. zueinander äquidistant verteilt, entlang einer oder mehrerer Linien (Spalten, Reihen) angeordnet, die entlang des Umfangs der zweiten Metallschicht verlaufen.
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Bspw. weisen die Ausnehmungen eine Form einer konkaven Einbuchtung auf bzw. sind konusförmig geformt. Insb. weisen die Ausnehmungen eine Form eines Kugelsegments auf. Speziell weisen die Ausnehmungen abgerundete Kanten auf.
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Bspw. weist der Keramikisolator Aluminiumnitrid-Keramik oder Siliciumnitrid-Keramik auf oder besteht aus Aluminiumnitrid-Keramik oder aus Siliciumnitrid-Keramik.
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Bspw. sind die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht auf den Keramikisolator aufgelötet oder hartgelötet oder aufgesintert.
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Bspw. ist der Schaltungsträger als ein aktivgelötetes Metall-Keramik-Substrat oder ein aktivgelötetes Kupfer-Keramik-Substrat gebildet. Insb. ist der Schaltungsträger als ein aktivgelötetes Kupfer-Aluminiumnitrid (AIN)-Substrat oder ein aktivgelötetes Kupfer-Siliziumnitrid (Si3N4)-Substrat gebildet.
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Der oben beschriebene Schaltungsträger kann in nahezu allen elektrischen Schaltungen mit einer hohen Anforderung an Verzugsspannungen angewendet werden. Insb. kann der Schaltungsträger im Bereich der Leistungselektronik angewendet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine leistungselektrische Schaltung bzw. eine elektrische Schaltungsvorrichtung, insb. ein Inverter, ein Konverter oder ein Gleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, bereitgestellt.
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Die Schaltung weist mindestens einen zuvor beschriebenen Schaltungsträger und mindestens ein leistungselektrisches Bauelement auf. Dabei liegt das Bauelement auf der ersten Metallschicht des Schaltungsträgers auf und ist mit der ersten Metallschicht körperlich, elektrisch und thermisch verbunden.
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Bspw. weist die Schaltung ferner einen Kühler auf. Dabei liegt der Kühler auf der zweiten Metallschicht auf und ist mit der zweiten Metallschicht und somit mit dem Schaltungsträger körperlich und thermisch verbunden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen,
- 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Schaltungsträger gemäß der beispielhaften Ausführungsform; und
- 2 in einer schematischen Druntersicht den Schaltungsträger aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Schaltungsträger ST für eine leistungselektrische Schaltung, wie z. B. einen Leistungsinverter, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Der Schaltungsträger ST ist als ein aktivgelötetes Kupfer-Siliziumnitrid-Substrat (auf Englisch „Active-metal-brazing-copper-siliconnitrideceramic-substrat“, AMB-Substrat) gebildet und weist eine erste Kupferfolie (bzw. ein erstes Kupferblech) als eine erste Metallschicht M1, eine Siliziumnitrid-Keramikschicht als einen Keramikisolator IS sowie eine zweite Kupferfolie (bzw. ein zweites Kupferblech) als eine zweite Metallschicht M2 auf, die in dieser Reihenfolge aufeinandergeschichtet angeordnet sind.
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Der Keramikisolator IS aus Siliciumnitrid (Si3N4) dient als Trägerelement des Schaltungsträgers ST und verleiht dem Schaltungsträger ST eine für dessen Funktion erforderliche mechanische Stabilität. Darüber hinaus dient der Isolator IS zur elektrischen Isolation zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht M1, M2 und zugleich zur Wärmeübertragung von der ersten Metallschicht M1 zu der zweiten Metallschicht M2. Hierzu weist der Isolator IS zwei flächig ausgedehnte, weitgehend gleichgroße Oberflächen OF1, OF2 auf, die sich verteilt jeweils auf einer von zwei voneinander abgewandten Seiten des Isolators IS befinden.
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Die erste Metallschicht M1 aus der ersten Kupferfolie dient zur Herstellung elektrischer Verbindungen der Schaltung und bildet somit Leiterbahnen der Schaltung. Entsprechend weist die erste Metallschicht M1 eine Leiterbahnstruktur auf. Stellen die Leiterbahnen elektrische Verbindungen unterschiedlicher Ströme bzw. unterschiedlicher Signale her, so sind diese auch voneinander körperlich getrennt. In diesem Fall bildet die erste Metallschicht M1 einen Sammelbegriff von mehreren einzelnen, voneinander körperlich getrennten Leiterbahnen. Die erste Metallschicht M1 ist auf eine erste Oberfläche OF1 des Keramikisolators IS in einem Aktivlötvorgang aufgelötet und ist somit mit dem Keramikisolator IS körperlich und thermisch verbunden. Durch deren funktionsbedingte Leiterbahnstruktur bedeckt die erste Metallschicht M1 die erste Oberfläche OF1 nur teilweise.
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Die zweite Metallschicht M2 aus der zweiten Kupferfolie dient zur Kühlung der Schaltung und weist hierzu eine flächig ausgedehnte und zugleich weitgehend flächig zusammenhängende Wärmeübertragungsfläche auf. Die zweite Metallschicht M2 ist auf eine zweite, von der ersten Oberfläche OF1 abgewandte Oberfläche OF2 in dem Aktivlötvorgang aufgelötet und ist somit mit dem Keramikisolator IS körperlich und thermisch verbunden. Dabei bedeckt die zweite Metallschicht M2 über deren flächig zusammenhängende Wärmeübertragungsfläche die zweite Oberfläche OF2 weitgehend vollständig.
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Die beiden Metallschichten M1, M2 weisen dabei bspw. dieselbe Schichtstärke auf und sind aus einer Kupferfolie bzw. einem Kupferblech durch Stanzen oder Laserstrahlschneiden geformt.
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Zur effektiven Wärmeabführung kann die erste Metallschicht M1 aber auch eine höhere Schichtstärke aufweisen als die zweite Metallschicht M2, sodass die erste Metallschicht M1 Abwärme von verlustwärme-erzeugenden Leistungselektronikelementen der Schaltung, mit denen die erste Metallschicht M1 unmittelbar bzw. lediglich über eine Löt-/Sinter-/Schweißverbindung oder eine vergleichbare elektrische Verbindung verbunden ist, effizienter aufnehmen und abführen kann.
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Genauso kann die zweite Metallschicht M2 (wesentlich) dicker als die erste Metallschicht M1 ausgeführt sein.
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Aufgrund ihrer funktionsbedingten Leiterbahnstruktur weist die erste Metallschicht M1 eine nicht durchgehend zusammenhängende Fläche auf und somit auch mit dem Isolator IS über eine nicht durchgehend zusammenhängende Kontaktfläche verbunden. Dagegen weist die zweite Metallschicht M2 zur effizienten Wärmeabführung eine durchgehend zusammenhängende und flächig ausgedehnt ausgeführte Wärmeübertragungsfläche auf und ist auch mit dem Isolator über eine entsprechend durchgehend zusammenhängende und flächig ausgedehnt ausgeführte Kontaktfläche verbunden. Dementsprechend weist die erste Metallschicht M1 - selbst bei einer höheren Schichtstärke als die zweite Metallschicht M2 - ein insgesamt geringeres Gesamtvolumen und somit eine insgesamt geringere Materialmenge als die zweite Metallschicht M2 auf. Der Unterschied in dem Volumen bzw. in der Materialmenge zwischen den beiden Metallschichten M1, M2 führt wiederum zu einer Ungleichheit in Verzugsspannungen, die von den jeweiligen Metallschichten M1, M2 auf den dazwischen liegenden Isolator IS einwirken. Diese Ungleichheit in den Verzugsspannungen bringt wiederum den sogenannten Verzugseffekt mit sich, was dazu führt, dass sich der Isolator IS und somit der gesamte Schaltungsträger ST verbiegt oder sich die Lötverbindungen zwischen dem Isolator IS einerseits und den beiden Metallschichten M1, M2 andererseits lösen.
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Um diesem Verzugseffekt entgegenzuwirken, ist die zweite Metallschicht M2 mit Ausnehmungen AN versehen, wodurch das Gesamtvolumen und somit auch die Materialmenge der zweiten Metallschicht M2 entsprechend reduziert werden.
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2 zeigt in einer schematischen Druntersicht den Schaltungsträger ST mit den genannten Ausnehmungen AN auf bzw. in der zweiten Metallschicht M2.
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Die zweite Metallschicht M2 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen AN auf, die an Randbereichen RB der zweiten Metallschicht M2 zueinander äquidistant verteilt die zweite Metallschicht M2 in einer Linie umlaufend angeordnet sind. Dabei sind die Ausnehmungen AN in Form von konkaven Einbuchtungen bzw. Kugelabschnitten gebildet. Dabei dringen die Ausnehmungen AN wie Sacklöcher die zweite Metallschicht M2 nicht durch und reichen entsprechend nicht bis zu dem Keramikisolator IS und erstrecken sich insb. auch nicht in oder durch den Keramikisolator IS.
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Je nach Bedarf können eine größere Anzahl von den Ausnehmungen AN vorgesehen werden, die dann zueinander äquidistant verteilt entlang mehrerer Linien (Spalten, Reihen) angeordnet werden können, die an den Randbereichen RB entlang des Umfangs der zweiten Metallschicht M2 verlaufen.
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Die Ausnehmungen AN sind dabei in einem und demselben Ätzvorgang auf bzw. in der zweiten Metallschicht M2 geätzt, in dem auch die Leiterbahnstruktur auf bzw. in der ersten Metallschicht M1 geätzt wurde.
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Durch die Anordnung der Ausnehmungen AN werden das Gesamtvolumen und somit die Materialmenge der zweiten Metallschicht M2 reduziert, sodass die Differenzen in dem Gesamtvolumen bzw. in der Materialmenge zwischen den beiden Metallschichten M1, M2 unter vorgegebenen Grenzwerten fallen. Entsprechend fällt der Unterschied in den Verzugsspannungen, die von den jeweiligen Metallschichten M1, M2 auf den dazwischen liegenden Isolator IS einwirken, unter einen für den Verzugseffekt kritischen Grenzwert. Damit wird eine Verbiegung des Isolators IS bzw. des gesamten Schaltungsträgers ST infolge des Verzugseffekts in Grenzen gehalten bzw. vermieden. Dementsprechend wird die durch die Verbiegung verursachte Funktionsstörung bei dem Schaltungsträger ST vermieden bzw. die durch die Verbiegung verursachte Ausschussquote in der Produktion des Schaltungsträgers ST reduziert.
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Der oben beschriebene Schaltungsträger ST wird in leistungselektrischen Schaltungsvorrichtungen wie in einem Leitungsinverter eingesetzt.
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Ein derartiger Leistungsinverter weist dann neben dem Schaltungsträger und sonstigen Schaltungskomponenten insb. mehrere Leistungshalbleiterschalter auf, die auf der ersten Metallschicht M1 aufliegt und mit der ersten Metallschicht M1 körperlich, elektrisch wie thermisch verbunden sind. Ferner weist der Leistungsinverter einen Kühler auf, der auf der zweiten Metallschicht M2 aufliegt und mit der zweiten Metallschicht M2 körperlich wie thermisch verbunden ist. Die Abwärme, die die Leistungshalbleiterschalter während des Betriebs des Inverters erzeugt, wird von der ersten Metallschicht M1 an den Isolator IS abgegeben und von dem Isolator IS über die zweite Metallschicht M2 an den Kühler abgeführt.
