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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Inverter zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Leistungsmodule (Engl.: power modules) finden bei Kraftfahrzeugen zunehmende Anwendungen. Sie werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Solche Leistungsmodule basieren auf Halbleiterschaltelementen, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Durch gezieltes Schalten der Halbleiterschaltelemente wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Das Leistungsmodul umfasst in der Regel mehrere sogenannte Halbbrücken, die jeweils eine Highside und eine Lowside aufweisen. Jede Highside bzw. Lowside umfasst ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente. Um einen dreiphasigen Wechselstrom am Ausgang des Inverters zu erzeugen werden drei Halbbrücken im Inverter eingesetzt, wobei jede Halbbrücke einem der drei Phasenströme fest zugeordnet ist.
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Um ein schnelles und leistungseffizientes Schalten der Halbleiterschaltelemente zu ermöglichen werden sogenannte Wide Band Gap(WBG)-Semiconductors (d.h. Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet. Derartige Halbleiterschaltelemente werden auf eine Metallschicht aufgebracht, die über eine Isolationsschicht an einen Kühlkörper angebunden ist, um die Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Inverters hohe Ströme tragen und Wärme erzeugen, abzukühlen. Beispielsweise kann die Metallschicht Teil eines mehrschichtigen Substrats sein, etwa eines Direct-Bonded-Copper (DBC)-Substrats.
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Im Fall von als Transistor (etwa IGBT) ausgebildeten Halbleiterschaltelementen ist bei solchen WBG-Halbleitern wichtig, die Source-Elektrode des Transistors und die Metallschicht, auf der die Halbleiterschaltelemente aufgebracht sind, elektrisch leitend zu verbinden, damit sie stets das gleiche elektrische Potential aufweisen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Invertern ist es jedoch bauartbedingt aufwendig, diese elektrische Leitung zwischen der Source-Elektrode und der Metallschicht zu bewerkstelligen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Halbbrücke bereitzustellen, bei der die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbbrücke, ein Leistungsmodul, einen Inverter sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung betrifft einen Inverter (DC/AC-Wechselrichter) zum Betreiben bzw. Bestromen eines Elektroantriebs eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Der Inverter wird dazu verwendet, um aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom umfassend mehrere (beispielsweise drei) Phasenströme zu generieren.
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Der Inverter umfasst ein Leistungsmodul, welches mehrere Halbleiterschaltelemente aufweist. Die Halbleiterschaltelemente bilden mehrere, beispielsweise drei, Halbbrücken, die jeweils einem Phasenstrom des mehrphasigen Wechselstroms zugeordnet sind. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside und eine Lowside. Die Highside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, an dem oder denen im Betrieb der Halbbrücke ein vergleichsweise positives bzw. höheres elektrisches Potential anliegt. Die Lowside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, an dem oder denen im Betrieb der Halbbrücke ein vergleichsweise negatives bzw. niedrigeres elektrisches Potential anliegt. Die Highside und die Lowside sind zueinander reihengeschaltet.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltelemente als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und/oder als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ausgebildet sind. Als den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegendes Halbleitermaterial wird vorzugsweise ein sogenannter Wide-Bandgap-Semiconductor (WBS, Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet. Diese Arten von Halbleiterschaltelementen sind vergleichsweise gut zum verlustarmen und schnellen Schalten auch bei hohen Strömen geeignet.
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Das Substrat kann beispielsweise als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein. Auf einer ersten Seite des Substrats sind die Halbleiterschaltelemente angeordnet. An eine der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite kann ein Kühlkörper angebunden sein, um die Wärme, die im Betrieb der Halbleiterschaltelemente entsteht, abzuführen. Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein. Wenn das Substrat als DBC-Substrat ausgebildet ist, umfasst das Substrat eine erste und eine zweite Metallschicht und eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht, wobei die Halbleiterschaltelemente auf der ersten Metallschicht angebracht sind. An die der ersten Metallschicht gegenüberliegende zweite Metallschicht wird vorzugsweise der Kühlkörper angebunden.
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Zwecks Schaltens der Halbleiterschaltelemente wird eine Steuerelektronik umfassend mehrere elektronische Bauteile verwendet, die auf einer Leiterplatte platziert sind. Die Leiterplatte ist im Inverter integriert, sodass diese mit den Halbleiterschaltelemente über Strom- und/oder Signalleitungen verbunden sind. Erfindungsgemäß ist ein Leiterkörper zwischen der Leiterplatte und dem Substrat befestigt, sodass eine elektrische Leitung zwischen einem Stromkontakt der Halbleiterschaltelemente und einer Metallisierung auf der ersten Seite des Substrats bereitstellt.
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Auf diese Weise lässt sich die elektrische Verbindung zwischen dem Stromkontakt der Halbleiterschaltelemente und der Metallisierung des Substrats besonders einfach herstellen, die aufgrund der formschlüssigen, kraftschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung besonders zuverlässig ist. Der Stromkontakt der Halbleiterschaltelemente liegt somit stets auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Metallisierung des Substrats, nämlich auf Masse. Dies begünstigt eine geringere Induktivität im Inverter, was hinsichtlich Reduzierens oder gar Beseitigens von Spannungssprüngen bei schnellem Schalten der Halbleiterschaltelemente vorteilhaft ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist an einer den Halbleiterschaltelementen zugewandten Unterseite der Leiterplatte eine Metallisierung vorgesehen, die den Stromkontakt der Halbleiterschaltelemente und den Leiterkörper elektrisch leitend verbindet. Dadurch liegt der Stromkontakt mit der Metallisierung und dem Leiterkörper auf dem gleichen elektrischen Signal, was die Induktivität des Inverters verringert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte eine erste Öffnung auf, in der der Leiterkörper in einem aufgebauten Zustand der Halbbrücke an seinem leiterplattenseitigen Ende aufgenommen ist. Dies ermöglicht eine einfache und gleichzeitig stabile elektrische und mechanische Verbindung des Leiterkörpers zur Leiterplatte.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Öffnung eine Durchgangsöffnung, durch die der Leiterkörper in einer zum Substrat zeigenden Richtung hindurchgeführt ist. Der Leiterkörper ist über die gesamte Dicke der Leiterplatte mit dieser verbunden. Die Stabilität der elektrischen und mechanischen Verbindung des Leiterkörpers zur Leiterplatte ist dadurch erhöht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Leiterkörper mit einer Innenwand der ersten Öffnung mittels Reibkräfte und/oder eines Schweißverfahrens, beispielsweise eines Laserschweißverfahrens verbunden. Diese Maßnahme steigert zusätzlich die Stabilität der elektrischen und mechanischen Verbindung des Leiterkörpers zur Leiterplatte.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Leiterkörper an seinem substratseitigen Ende mittels eines Lötverfahrens und/oder eines Schweißverfahrens am Substrat befestigt. Diese Maßnahme sorgt für eine erhöhte Stabilität der elektrischen und mechanischen Verbindung des Leiterkörpers zur Metallisierung des Substrats.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat eine zweite Öffnung auf, in der der Leiterkörper in einem aufgebauten Zustand der Halbbrücke an seinem substratseitigen Ende aufgenommen ist. Diese Maßnahme steigert zusätzlich die Stabilität der elektrischen und mechanischen Verbindung des Leiterkörpers zur Metallisierung des Substrats.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Inverters ferner Bereitstellen einer ersten Öffnung in der Leiterplatte, Verbinden der auf dem Substrat angebrachten Halbleiterschaltelemente unterseitig mit der Leiterplatte, sodass der Stromkontakt der Halbleiterschaltelemente mit einer unterseitigen Metallisierung der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist, und Anbringen des Leiterkörpers an der Leiterplatte, sodass der Leiterkörper in einem aufgebauten Zustand des Inverters in der ersten Öffnung aufgenommen ist und die unterseitige Metallisierung der Leiterplatte mit der Metallisierung auf der ersten Seite des Substrats elektrisch leitend verbindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner Bereitstellen einer zweiten Öffnung im Substrat, bevor die auf dem Substrat angebrachten Halbleiterschaltelemente unterseitig mit der Leiterplatte verbunden werden, und Hindurchführen des Leiterkörpers durch die erste Öffnung, die als Durchgangsöffnung ausgebildet ist, und bis in die zweite Öffnung hinein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner Befestigen des Leiterkörpers auf der ersten Seite des Substrats, bevor die auf dem Substrat angebrachten Halbleiterschaltelemente unterseitig mit der Leiterplatte verbunden werden, und Verbinden des Leiterkörpers mit einer Innenwand der ersten Öffnung mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens.
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Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht;
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 1;
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 1;
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 1;
- 6 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht;
- 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 6;
- 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 6;
- 9 eine schematische Darstellung eines weiteren Verfahrensschrittes zum Herstellen der Halbbrücke in 6.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbbrücke 10A gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht. Die Halbbrücke 10A wird in einem Inverter zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug verwendet. Im Inverter sind mehrere Halbleiterschaltelemente verbaut, die mehrere, beispielsweise drei, Halbbrücken 10A, die jeweils einem Phasenstrom eines mehrphasigen Wechselstroms zugeordnet sind. Jede Halbbrücke 10A umfasst eine Highside und eine Lowside. Die Highside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, an dem oder denen im Betrieb des Inverters ein vergleichsweise positives bzw. höheres elektrisches Potential anliegt. Die Lowside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, an dem oder denen im Betrieb des Inverters ein vergleichsweise negatives bzw. niedrigeres elektrisches Potential anliegt. Die Highside und die Lowside sind zueinander reihengeschaltet. Mittels gezielten Schaltens wird ein von einer Batterie bereitgestellter Gleichstrom (DC-Strom), der eingangsseitig in den Inverter eingespeist wird, in den mehrphasigen Wechselstrom (AC-Strom) am Ausgang des Inverters umgewandelt. Mit den Phasenströmen des Ausgangsstroms wird der elektrische Antrieb des Elektrofahrzeugs bzw. des Hybridfahrzeugs bestromt.
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In 1 ist rein schematisch nur ein Halbleiterschaltelement 12 gezeigt, welches als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und/oder als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet sein kann. Als dem Halbleiterschaltelement 12 zugrunde liegendes Halbleitermaterial wird vorzugsweise ein sogenannter Wide-Bandgap-Semiconductor (WBS, Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet. Das Halbleiterschaltelement 12 ist auf einer ersten Seite 144 eines Substrats angebracht. Das Substrat weist vorzugsweise einen mehrschichtigen Aufbau mit einer oberen Metallisierung 14 auf. Eine untere Metallisierung kann im Substrat vorhanden sein, die durch eine ebenfalls im Substrat befindliche Isolierung von der oberen Metallisierung elektrisch getrennt ist und an die ein Kühlkörper zum Abführen in den Halbleiterschaltelementen 12 erzeugter Wärme angebunden sein kann (nicht gezeigt).
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Eine Leiterplatte 16 wird im Inverter vorgesehen, die mit mehreren elektronischen Bauteilen bestückt ist. Diese elektronischen Bauteile sind über Signal- und/oder Stromleitungen mit den Halbleiterschaltelementen 12 verbunden, um Strom- und Steuersignale an diese zu übertragen. Es können auch Sensoren zur Strom-, Spannung-, Temperatur- und/oder Kurzschlusserfassung der Halbbrücken 10A auf der Leiterplatte integriert sein.
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Leiterkörper 18 in der Halbbrücke 10A angeordnet, derart, dass dieser zwischen der Leiterplatte 16 und dem Substrat befestigt ist. Insbesondere steht der Leiterkörper 18 mit einer Metallisierung 164, die auf einer dem Substrat zugewandten Unterseite 161 der Leiterplatte angebracht ist und mit einem Stromkontakt 124 des Halbleiterschaltelements 12 elektrisch leitend verbunden ist, und der oberen Metallisierung 14 des Substrats in elektrischer Verbindung. Der Stromkontakte 124 ist vorzugsweise ein Source-Kontakt, wobei das Halbleiterschaltelement 12 als Transistor ausgebildet ist.
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In 2 bis 5 wird ein Verfahren zum Herstellen der in 1 gezeigten Halbbrücke 10A schematisch gezeigt. Zunächst wird, wie in 2 gezeigt, das Halbleiterschaltelement 12 an die erste Seite 144 des Substrats angebunden, etwa mittels Schwei-ßens, zum Beispiel Laserschweißens, oder Lötens. Zudem wird eine Öffnung 142 in der oberen Metallisierung 14 des Substrats gebildet. Die Öffnung 142 kann sich über die gesamte oder teilweise Dicke der oberen Metallisierung 14 des Substrats erstrecken. Jedoch hört die Öffnung 142 bereits oberhalb der vorstehend genannten, unteren Metallisierung des Substrats auf, sodass die elektrische Isolierung zwischen der oberen und der unteren Metallisierung gewährleistet ist. In der unteren Zeichnung von 2 sind neben dem als Source-Kontakt ausgebildeten Stromkontakt 142 ein Drain-Kontakt 122 und ein Gate-Kontakt 126 des Halbleiterschaltelements 12 rein schematisch in einer Draufsicht gezeigt.
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In einem nach dem in 2 gezeigten Verfahrensschritt erfolgenden Verfahrensschritt, der in 3 gezeigt ist, wird eine Öffnung 168 in der Leiterplatte 16 bereitgestellt. Die Öffnung 168 ist, wie hier gezeigt, vorzugsweise eine Durchgangsöffnung. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt, wie in 4 gezeigt, die Leiterplatte 16 mit dem Halbleiterschaltelement 12 in Verbindung gebracht, sodass eine Metallisierung 166 der Leiterplatte mit dem Drain-Kontakt 122 elektrisch verbunden ist, wobei die Metallisierung 164 mit dem Source-Kontakt 124 ebenfalls elektrisch leitend verbunden ist. Danach wird der Leiterkörper 18, wie in 5 gezeigt, von oben nach unten (siehe Pfeil) zunächst durch die Durchgangsöffnung 168 der Leiterplatte 16 hindurch und anschließend in die Öffnung 142 der oberen Metallisierung 14 des Substrats hineingeführt. Hierbei ist der Durchmesser der beiden Öffnungen 142, 168 derart gewählt, dass der Leiterkörper 18 nach Einführen durch Reibkräfte an den Innenwänden der Öffnungen 142, 168 gehaltert und befestigt ist. Außerdem steht der Leiterkörper 18 mit den Metallisierungen 164, 14 in elektrischer Verbindung. Auf diese Weise liegt der Source-Kontakt mit der Metallisierung 164 und über den Leiterkörper 18 auch mit der oberen Metallisierung 14 des Substrats auf dem gleichen Potential, vorzugsweise auf Masse/Erdpotential.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbbrücke 10B gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht. Auch hier steht der Leiterkörper 18 mit den Metallisierungen 164, 14 in elektrischer Verbindung. Der Source-Kontakt iegt mit der Metallisierung 164 und über den Leiterkörper 18 auch mit der oberen Metallisierung 14 des Substrats auf dem gleichen Potential, vorzugsweise auf Masse/Erdpotential.
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Die in 6 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die obere Metallisierung 14 keine Öffnung bzw. Durchgangsöffnung aufweist. Hier ist der Leiterkörper 18 substratseitig nicht in einer Öffnung in der oberen Metallisierung 14 des Substrats aufgenommen, sondern auf der ersten Seite 144 mittels einer Verbindungstechnologie, etwa Schweißen, beispielsweise Laserschweißen, fixiert. Außerdem ist der Leiterkörper 18 leiterplattenseitig in der Öffnung 168 aufgenommen und zusätzlich mittels Schweißens bzw. Laserschweißens mit der Innenwand der Öffnung 168 verbunden.
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In 7 bis 9 wird ein Verfahren zum Herstellen der in 6 gezeigten Halbbrücke 10B schematisch gezeigt. Zunächst wird, wie in 7 gezeigt, das Halbleiterschaltelement 12 an die erste Seite 144 des Substrats angebunden, etwa mittels Schwei-ßens, zum Beispiel Laserschweißens, oder Lötens. Zudem wird der Leiterkörper 18 auf der ersten Seite 144 befestigt, etwa mittels Schweißens, zum Beispiel Laserschweißens, oder Lötens. Die untere Zeichnung der 7 zeigt den Aufbau in einer Draufsicht. In einem nach dem in 7 gezeigten Verfahrensschritt erfolgenden Verfahrensschritt, der in 8 gezeigt ist, wird eine Öffnung 168 in der Leiterplatte 16 bereitgestellt. Die Öffnung 168 ist, wie hier gezeigt, vorzugsweise eine Durchgangsöffnung. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt, wie in 9 gezeigt, die Leiterplatte 16 von oben mit dem Substrat in Verbindung gebracht, derart, dass der auf dem Substrat bereits befestigte Leiterkörper 18 in die Öffnung 168 hineingeführt wird und dort aufgenommen ist. Ein weiterer Verbindungsschritt erfolgt, indem der Leiterkörper 18 mit der Innenwand der Öffnung 168 mittels Schweißens, etwa Laserschweißens, verschweißt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10A, 10B
- Halbbrücke
- 12
- Halbleiterschaltelement
- 122
- Drain-Kontakt (Stromkontakt)
- 124
- Source-Kontakt (Stromkontakt)
- 126
- Gate-Kontakt
- 14
- obere Metallisierung
- 142
- Öffnung
- 144
- erste Seite
- 16
- Leiterplatte
- 161
- Unterseite
- 162, 164, 166
- Metallisierung
- 168
- Öffnung
- 18
- Leiterkörper
