DE102021212895A1 - Power electronics arrangement and method for producing a power electronics arrangement - Google Patents

Power electronics arrangement and method for producing a power electronics arrangement Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Leistungselektronikanordnung (LA), aufweisend:- ein Leistungsmodul (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (01);- zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1);- wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den jeweiligen Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind;- wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken;- wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet sind.Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen der genannten Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.A power electronics arrangement (LA) is disclosed, having:- a power module (LM) with two or more power semiconductors (HL) each with a surface contact (01);- two or more solid pin contact elements (PI) each with a first contact section (K1 );- the pin contact elements (PI) being soldered, sintered or welded directly onto the respective surface contact (O1) of the respective power semiconductor (HL) via their respective first contact section (K1);- the first contact sections (K1) each extend along the surface contact (O1) of the respective corresponding power semiconductor (HL);- the pin contact elements (PI) each being partially embedded in a common carrier (TR) made of an electrically insulating insulating material.Furthermore, a method for producing the said Power electronics arrangement provided.

Description

Technisches Gebiet:Technical field:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung, insb. für ein Kraftfahrzeug, wie z. B. einen Leistungs-Inverter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronikanordnung.The present invention relates to a power electronics arrangement, esp. For a motor vehicle, such as. B. a power inverter. Furthermore, the invention relates to a method for producing a power electronics arrangement.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:State of the art and object of the invention:

Leistungselektronikanordnungen, wie z. B. Leistungs-Inverter, sind bekannt und werden unter anderem bei elektrischen Antrieben von Kraftfahrzeugen eingesetzt.Power electronics arrangements such. As power inverters are known and are used, among other things, in electric drives of motor vehicles.

Wie bei anderen technischen Anordnungen, insb. bei technischen Anordnungen für die Kraftfahrzeuge, besteht für die Leistungselektronikanordnungen die allgemeine Anforderung an hohe Zuverlässigkeit.As with other technical arrangements, especially technical arrangements for motor vehicles, there is a general requirement for high reliability for power electronics arrangements.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Leistungselektronikanordnung, wie z. B. einen Leistungs-Inverter, bereitzustellen, die zuverlässig ist.Thus, the object of the present application is a power electronics arrangement such. a power inverter, that is reliable.

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung, insb. ein Leistungs-Inverter, speziell für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.According to a first aspect of the invention, a power electronics arrangement, in particular a power inverter, specifically for an electric drive of a motor vehicle, is provided.

Die Leistungselektronikanordnung weist ein Leistungsmodul mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern auf, wobei die Leistungshalbleiter wiederum jeweils mindestens einen Oberflächenkontakt aufweisen. Dabei dienen die Oberflächenkontakte zur stromführenden Kontaktverbindung der jeweiligen Leistungshalbleiter mit externen Kontaktpartnern, wie z. B. Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungshalbleiter. Insb. sind die Oberflächenkontakte als Steuerelektroden zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern der jeweiligen Leistungshalbleiter gebildet. Ein oder mehrere der Oberflächenkontakte können auch als Überwachungs- oder Monitoring-Elektroden ausgebildet sein, die für ein (Mess-)Signal vorgesehen sind, das einen Betriebsparameter des Halbleiters wiedergibt, etwa Temperatur, Spannung oder Stromstärke. Die Kontakte sind dann vorgesehen, eines oder mehrere dieser Signale abzugeben, etwa zu Regelungs- oder Steuerzwecken.The power electronics arrangement has a power module with two or more power semiconductors, the power semiconductors in turn each having at least one surface contact. The surface contacts are used for current-carrying contact connection of the respective power semiconductors with external contact partners, such. B. driver or control circuits for the power semiconductors. In particular, the surface contacts are formed as control electrodes for applying the control voltage for controlling the respective power semiconductors. One or more of the surface contacts can also be in the form of monitoring electrodes that are provided for a (measurement) signal that reflects an operating parameter of the semiconductor, such as temperature, voltage or current intensity. The contacts are then intended to emit one or more of these signals, for example for regulation or control purposes.

Die Leistungselektronikanordnung weist ferner zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente auf, wobei die Pin-Kontaktelemente jeweils einen ersten Kontaktabschnitt aufweisen. Die ersten Kontaktabschnitte dienen zur Herstellung von (direkten) stromführenden Verbindungen zu den jeweiligen Leistungshalbleitern. Die Pin-Kontaktelemente bestehen bspw. aus Kupfer oder einem vergleichbaren Metall, oder einer Kupferlegierung bzw. einer vergleichbaren Metalllegierung.The power electronics arrangement also has two or more solid pin contact elements, with the pin contact elements each having a first contact section. The first contact sections are used to produce (direct) current-carrying connections to the respective power semiconductors. The pin contact elements consist, for example, of copper or a comparable metal, or a copper alloy or a comparable metal alloy.

Die Pin-Kontaktelemente sind jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt (insb. ultraschallgeschweißt). Dabei erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter.The pin contact elements are each soldered, sintered or welded (in particular ultrasonically welded) directly onto the surface contact of the respective corresponding power semiconductor via their respective first contact section. In this case, the first contact sections each extend along the surface contact of the respective corresponding power semiconductor.

Ferner sind die Pin-Kontaktelemente jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet. Dabei fixiert der Träger die Pin-Kontaktelemente in deren jeweiligen Positionen und isoliert diese voneinander elektrisch. Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente sind nicht in dem Träger eingebettet. Der dadurch gebildete Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund erleichtert den anschließenden Transport und die spätere Montage der Pin-Kontaktelemente auf das Leistungsmodul.Furthermore, the pin contact elements are each partially embedded in a common carrier made of an electrically insulating insulating material. The carrier fixes the pin contact elements in their respective positions and electrically insulates them from one another. The first contact sections of the pin contact elements are not embedded in the carrier. The resulting carrier-pin contact element combination facilitates the subsequent transport and subsequent assembly of the pin contact elements on the power module.

Die Leistungshalbleiter können allesamt auf einem Keramik-Substrat, wie z. B. einem DCB (auf Englisch „Direct copper bonded“)- oder AMB (auf Englisch „Active-Metal-Bond“)-Substrat, angeordnet sein. Alternativ können die Leistungshalbleiter auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet sein. Sind die Leistungshalbleiter auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet, so bilden die Substrate samt den Leistungshalbleitern gemeinsam das Leistungsmodul. Anstelle der Keramik-Substrate können auch Stromschienen (auf Englisch „Busbars“) auch als Träger der Leistungshalbleiter dienen, wobei in diesem Fall die Stromschienen anstelle von herkömmlichen Leiterbahnen stromführende Verbindungen für die Leistungshalbleiter herstellen.The power semiconductors can all be mounted on a ceramic substrate, such as e.g. B. a DCB (in English "Direct copper bonded") - or AMB (in English "Active Metal Bond") substrate, be arranged. Alternatively, the power semiconductors can be distributed over several DCB or AMB substrates. If the power semiconductors are distributed over several DCB or AMB substrates, the substrates together with the power semiconductors together form the power module. Instead of ceramic substrates, busbars can also serve as carriers for the power semiconductors, in which case the busbars create current-carrying connections for the power semiconductors instead of conventional conductor tracks.

Die oben genannten massiven Pin-Kontaktelemente sind Pin- bzw. Stift-förmige Kontaktelemente (aus einem niederohmigen Material, wie z. B. Kupfer oder einer Kupferlegierung) mit einer entsprechend hohen Eigensteifigkeit, die ausreicht, stabile elektrische Verbindungen, bspw. stabile Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, der Pin-Kontaktelemente mit externen elektrischen Kontaktpartnern sicherzustellen. Insb. sind die Pin-Kontaktelemente in Form von Kontakt-Pins oder Kontakt-Stiften gebildet.The solid pin contact elements mentioned above are pin or pin-shaped contact elements (made of a low-impedance material such as copper or a copper alloy) with a correspondingly high inherent rigidity that is sufficient for stable electrical connections, e.g. stable press Fit connections or solder connections to ensure the pin contact elements with external electrical contact partners. Especially the pin contact elements ments formed in the form of contact pins or contact pins.

Dank der ausreichend hohen Eigensteifigkeit können die Pin-Kontaktelemente über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf die Oberflächenkontakte der jeweiligen Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt werden. Dabei ist der Fertigungsvorgang des Auflötens, Aufsinterns bzw. Aufschweißens im Vergleich zu einem Fertigungsvorgang des Bondens, das sonst zur Herstellung vergleichbarer elektrischer Kontaktierungen zu den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter angewendet wird, wesentlich einfacher und kosteneffizienter. Außerdem sind die Löt-, Sinter- bzw. Schweißverbindungen wesentlich robuster als Bondverbindungen, insb. gegen mechanische Schwingungen oder thermische Ausdehnungen.Thanks to the sufficiently high inherent rigidity, the pin contact elements can be soldered, sintered or welded directly onto the surface contacts of the respective power semiconductors via their respective first contact section. In this case, the manufacturing process of soldering, sintering or welding is significantly simpler and more cost-effective in comparison to a manufacturing process of bonding, which is otherwise used to produce comparable electrical contacts to the surface contacts of the power semiconductors. In addition, the soldered, sintered or welded connections are much more robust than bonded connections, especially against mechanical vibrations or thermal expansion.

Darüber hinaus lassen sich stromführende Kontaktierungen zwischen den Leistungshalbleitern bzw. deren Oberflächenkontakten einerseits und den externen Kontaktpartnern, wie z. B. Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungshalbleiter, andererseits mittels den Pin-Kontaktelementen ohne zusätzliche Verbindungsmittel, wie z. B. Bonddrähte, direkt herstellen. Entsprechend entfallen auch zusätzliche Kontaktflächen, die sonst als sogenannte „Landeflächen“ (in der Regel) lediglich zur Herstellung elektrischer Verbindungen von den Bonddrähten einerseits und weiteren elektrischen Verbindungsmitteln, wie z. B. Kupferbügeln, andererseits dienen. Folglich lässt sich die Leistungselektronikanordnung mit den Pin-Kontaktelementen auch einfacher und somit kostengünstiger und bauraumsparender herstellen.In addition, current-carrying contacts between the power semiconductors or their surface contacts on the one hand and the external contact partners, such as. B. driver or control circuits for the power semiconductors, on the other hand by means of the pin contact elements without additional connection means such. B. bond wires, produce directly. Accordingly, there are no additional contact surfaces, which are otherwise known as so-called “landing surfaces” (usually) only for making electrical connections from the bonding wires on the one hand and other electrical connection means, such as e.g. B. copper brackets, on the other hand. As a result, the power electronics arrangement with the pin contact elements can also be produced more easily and thus more cost-effectively and with less space.

Dadurch, dass die ersten Kontaktabschnitte, über die die Pin-Kontaktelemente jeweils auf den Oberflächenkontakten der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter direkt aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind, sich jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter erstrecken, lassen sich auch entsprechend flächig ausgedehnte, stabile elektrische Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter andererseits herstellen. Insb. sind die ersten Kontaktabschnitte jeweils an einem freiliegenden Endabschnitt der jeweiligen Pin-Kontaktelemente gebildet. Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente sind nicht in dem Träger eingebettet.Because the first contact sections, via which the pin contact elements are soldered, sintered or welded directly onto the surface contacts of the respective corresponding power semiconductors, each extend along the surface contact of the respective corresponding power semiconductors, stable electrical connections can also be made over a large area between the pin contact elements on the one hand and the surface contacts of the power semiconductors on the other hand. In particular, the first contact sections are each formed on an exposed end section of the respective pin contact elements. The first contact sections of the pin contact elements are not embedded in the carrier.

Der Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial hält die Pin-Kontaktelemente an ihren jeweiligen Positionen fest und stellt somit auch stabile Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter andererseits sicher.The carrier made of an electrically insulating insulating material holds the pin contact elements in their respective positions and thus also ensures stable connections between the pin contact elements on the one hand and the surface contacts of the power semiconductors on the other hand.

Damit ist eine zuverlässige Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.A reliable power electronics arrangement is thus provided.

Die Leistungshalbleiter können als Leistungs-MOSFETs oder als Leistungs-IGBTs gebildet sein. Im Falle von Leistungs-MOSFETs sind die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter als Gate- und/oder Source-Anschlüsse der jeweiligen Leistungs-MOSFETs gebildet. Im Falle von Leistungs-IGBTs sind die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter als Basis- und/oder Emitter-Anschlüsse der jeweiligen Leistungs-IGBTs gebildet.The power semiconductors can be formed as power MOSFETs or as power IGBTs. In the case of power MOSFETs, the surface contacts of the power semiconductors are formed as gate and/or source terminals of the respective power MOSFETs. In the case of power IGBTs, the surface contacts of the power semiconductors are formed as base and/or emitter connections of the respective power IGBTs.

Der Träger ist bspw. durch Spritzgießen des Isoliermaterials um die Pin-Kontaktelemente geformt.The carrier is formed, for example, by injection molding the insulating material around the pin contact elements.

Bspw. sind die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt (bzw. dem Rest) der entsprechenden Pin-Kontaktelemente, der sich (unmittelbar) an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt, gebogen, insb. um denselben Biegewinkel, speziell allesamt um denselben Biegewinkel von 90°, gegenüber dem jeweiligen korrespondierenden Abschnitt (bzw. dem Rest). Die Biegung kann mehrere, einzelne Krümmungen aufweisen, die zusammen den genannten Biegewinkel darstellen, oder kann nur eine Krümmung aufweist, die eine dem genannten Biegewinkel entsprechende Biegung realisiert.For example, the first contact sections of the pin contact elements are bent in relation to the respective section (or the remainder) of the corresponding pin contact elements that (directly) adjoins the respective corresponding first contact section, in particular by the same bending angle, specifically all of them by the same bending angle of 90°, with respect to the respective corresponding section (or the remainder). The bend can have a plurality of individual curvatures, which together represent the specified bending angle, or can have only one curvature, which implements a bend corresponding to the specified bending angle.

Bspw. befinden bzw. erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente in einer Kontaktebene, in der sich auch die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter erstrecken. Entsprechend befinden sich die Löt-, Sinter- bzw. Schweißverbindungen zwischen den ersten Kontaktabschnitten einerseits und den Oberflächenkontakten andererseits in dieser Kontaktebene und erstrecken sich auch in dieser Kontaktebene. Dagegen erstreckt sich der Träger samt den Abschnitten von den jeweiligen Pin-Kontaktelementen, die in dem Träger eingebettet sind, in dessen Längs- oder Breitenrichtung von der Kontaktebene weg. Dies ermöglich eine einfache Montage des Trägers auf das Leistungsmodul durch Reinschieben des Trägers in einer Einschubrichtung von oberhalb des Leistungsmoduls hin zum Leistungsmodul. Vor dem Platzieren der ersten Kontaktabschnitten an den Oberflächenkontakten bzw. auf Oberflächenkontakte werden die Pin-Kontaktelemente in den Träger eingebettet. Dann wird der Träger platziert, wodurch die Kontaktabschnitte an den Oberflächenkontakten bzw. auf Oberflächenkontakte platziert werden, um danach an diesen befestigt zu werden durch Ausführen der genannten Verbindungen zwischen den ersten Kontaktabschnitten und den Oberflächenkontakten.For example, the first contact sections of the pin contact elements are located or extend in a contact plane in which the surface contacts of the power semiconductors also extend. Correspondingly, the soldered, sintered or welded connections between the first contact sections on the one hand and the surface contacts on the other hand are located in this contact plane and also extend in this contact plane. In contrast, the carrier, together with the sections of the respective pin contact elements that are embedded in the carrier, extends away from the contact plane in its longitudinal or width direction. This enables the carrier to be easily installed on the power module by pushing the carrier in in an insertion direction from above the power module towards the power module. Before the first contact sections are placed on the surface contacts or on surface contacts, the pin contact elements are embedded in the carrier. Then the carrier is placed, whereby the contact sections are placed on the surface contacts and on surface contacts, respectively, in order to then be attached thereto by performing said connections between the first contact sections and the surface contacts.

Die Pin-Kontaktelemente weisen jeweils an einem von dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt abgewandten (End-)Bereich bspw. einen zweiten Kontaktabschnitt auf, wobei die zweiten Kontaktabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente zur Bildung von elektrisch leitenden Verbindungen, wie z. B. Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, eingerichtet sind. Dabei sind die zweiten Kontaktabschnitte bspw. nicht in dem Träger eingebettet und liegen somit frei.The pin contact elements each have a second contact section, for example, on an (end) area facing away from the respective first contact section, the second contact sections of the respective pin contact elements being used to form electrically conductive connections, such as e.g. B. press-fit connections or soldered connections are set up. In this case, the second contact sections are, for example, not embedded in the carrier and are therefore exposed.

Die zweiten Kontaktabschnitte erstrecken sich bspw. in einer Erstreckungsrichtung weg von der Kontaktebene. Insb. liegt die Erstreckungsrichtung der zweiten Kontaktabschnitte senkrecht zur Kontaktebene. Alternativ kann die Erstreckungsrichtung parallel zur Kontaktebene (jedoch nicht in der Kontaktebene) liegen.The second contact sections extend, for example, in a direction of extent away from the contact plane. In particular, the direction in which the second contact sections extend is perpendicular to the contact plane. Alternatively, the extension direction can be parallel to the contact plane (but not in the contact plane).

Die Leistungselektronikanordnung weist bspw. ferner ein Halteelement zum Halten des Trägers auf. Das Halteelement ist mit dem Träger in Richtungen parallel zur Kontaktebene formschlüssig verbunden und verhindert somit, dass sich der Träger und somit auch die Pin-Kontaktelemente ungewollt in der Richtung parallel zur Kontaktebene verschieben, und dass sich die ersten Kontaktabschnitte gegenüber den Oberflächenkontakten verrutschen. Entsprechend stellt das Halteelement stabile elektrische Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Leistungshalbleitern andererseits in der Kontaktebene sicher.The power electronics arrangement also has, for example, a holding element for holding the carrier. The holding element is positively connected to the carrier in directions parallel to the contact plane and thus prevents the carrier and thus also the pin contact elements from being unintentionally displaced in the direction parallel to the contact plane and the first contact sections from slipping relative to the surface contacts. Accordingly, the holding element ensures stable electrical connections between the pin contact elements on the one hand and the power semiconductors on the other hand in the contact plane.

Bspw. ist das Halteelement mittels mindestens einer Nut-Feder-Verbindung mit dem Träger formschlüssig verbunden. Dabei erstreckt sich die Nut dieser Verbindung von der Kontaktebene weg, insb. senkrecht zur Kontaktebene. Die Nut-Feder-Verbindung ermöglicht die einfache Montage des Trägers auf das Leistungsmodul durch Reinschieben des Trägers in der zuvor genannten Einschubrichtung von oberhalb des Leistungsmoduls hin zur Kontaktebene bzw. zum Leistungsmodul, wobei die Einschubrichtung parallel zur Erstreckungsrichtung der Nut liegt.For example, the holding element is positively connected to the carrier by means of at least one tongue and groove connection. The groove of this connection extends away from the contact plane, especially perpendicularly to the contact plane. The tongue and groove connection enables the carrier to be easily mounted on the power module by pushing the carrier in in the aforementioned insertion direction from above the power module towards the contact plane or the power module, with the insertion direction being parallel to the direction of extension of the groove.

Die Leistungselektronikanordnung weist bspw. ferner ein Gehäuse auf, in dem bzw. in dessen Hohlraum das Leistungsmodul samt den Leistungshalbleitern und der Träger samt den Pin-Kontaktelementen angeordnet sind. Dabei ist das Halteelement als ein Teilabschnitt des Gehäuses, wie z. B. in Form von einem oder mehreren Vorsprüngen an dem Gehäuse, gebildet. Alternativ ist das Halteelement an dem Gehäuse befestigt, wie z. B. in Form von einer oder mehreren Führungsschienen, die an dem Gehäuse befestigt sind.The power electronics arrangement also has, for example, a housing in which or in whose cavity the power module together with the power semiconductors and the carrier together with the pin contact elements are arranged. In this case, the holding element as a section of the housing, such as. B. in the form of one or more projections on the housing formed. Alternatively, the holding element is attached to the housing, such as. B. in the form of one or more guide rails, which are attached to the housing.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.According to a second aspect of the invention, a method for producing a power electronics arrangement as described above is provided.

Gemäß dem Verfahren wird ein Leistungsmodul mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern mit jeweils einem Oberflächenkontakt bereitgestellt.According to the method, a power module with two or more power semiconductors, each with a surface contact, is provided.

Ferner werden zwei oder mehr massiven Pin-Kontaktelemente mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt bereitgestellt.Furthermore, two or more solid pin contact elements are provided, each with a first contact section.

Die Pin-Kontaktelemente werden jeweils teilweise in einen gemeinsamen Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet.The pin contact elements are each partially embedded in a common carrier made of an electrically insulating insulating material.

Anschließend wird der Träger samt den eingebetteten Pin-Kontaktelementen auf das Leistungsmodul angeordnet. Dabei wird der Träger derart auf das Leistungsmodul platziert, dass sich die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter erstrecken.The carrier together with the embedded pin contact elements is then placed on the power module. In this case, the carrier is placed on the power module in such a way that the first contact sections of the pin contact elements each extend along the surface contact of the respective corresponding power semiconductor.

Danach werden die Pin-Kontaktelemente jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern elektrisch verbunden. Hierzu werden die Pin-Kontaktelemente jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert, aufgeschweißt, insb. ultraschallgeschweißt.After that, the pin contact elements are each electrically connected to the respective power semiconductors. For this purpose, the pin contact elements are each soldered, sintered, welded, in particular ultrasonically welded, directly onto the surface contact of the respective corresponding power semiconductor via their respective first contact section.

Der Träger wird bspw. in einer Einschubrichtung hin zum Leistungsmodul eingeschoben, bis die ersten Kontaktabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente in einer Kontaktebene liegen, in der sich die Oberflächenkontakte der jeweiligen Leistungshalbleiter erstrecken. Erst danach werden die Pin-Kontaktelemente jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern durch Auflöten, Aufsintern bzw. Aufschweißen elektrisch verbunden.The carrier is pushed in, for example, in an insertion direction towards the power module, until the first contact sections of the respective pin contact elements lie in a contact plane in which the surface contacts of the respective power semiconductors extend. Only then are the pin contact elements electrically connected to the respective power semiconductors by soldering, sintering or welding.

Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente werden bspw. jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt (bzw. dem Rest) der entsprechenden Pin-Kontaktelemente, der sich (unmittelbar) an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt, um einen Biegewinkel gebogen, der einem Schnittwinkel zwischen der Einschubrichtung des Trägers bzw. der Pin-Kontaktelemente und der Kontaktebene entspricht. Dieser Verfahrensschritt kann vor dem Einbetten der Pin-Kontaktelemente in den Träger erfolgen. Alternativ kann dieser auch nach dem Einbetten der Pin-Kontaktelemente in den Träger jedoch vor dem Anordnen (bzw. Einschieben) des Trägers samt den Pin-Kontaktelementen auf das Leistungsmodul erfolgen.The first contact sections of the pin contact elements are bent, for example, by a bending angle that corresponds to an angle of intersection between the Insertion direction of the carrier or the pin contact elements and the contact level corresponds. This process step can take place before embedding the pin contact elements in the carrier. Alternatively, this can also be done after embedding the pin contact elements in the carrier, but before arranging (or pushing in) the carrier together with the pin contact elements onto the power module.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 und 3 jeweils in einer weiteren schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Abschnitt der Leistungselektronikanordnung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. show:
  • 1 in a schematic bird's-eye view of a carrier-pin contact element assembly of a power electronics arrangement according to an exemplary embodiment of the invention; and
  • 2 and 3 each in a further schematic bird's-eye view of a section of the power electronics arrangement according to the exemplary embodiment of the invention.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:Detailed description of the drawings:

1 zeigt in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Verbund aus mehreren Pin-Kontaktelementen PI und einem Träger TR für die Pin-Kontaktelemente PI. 1 shows a schematic bird's-eye view of a combination of several pin contact elements PI and a carrier TR for the pin contact elements PI.

Die Pin-Kontaktelemente PI sind in dieser Ausführungsform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung geformt. Die Pin-Kontaktelemente PI weisen jeweils eine Form eines massiven Stifts bzw. Pins, ähnlich wie ein Einpressstift, mit einer rechteckigen Querschnittfläche auf.In this embodiment, the pin contact elements PI are formed from copper or a copper alloy. The pin contact elements PI each have a shape of a solid pin or pin, similar to a press-in pin, with a rectangular cross-sectional area.

Die Pin-Kontaktelemente PI sind in dem gemeinsamen Träger TR mit Ausnahme von jeweiligen beiden freiliegenden Endabschnitten eingebettet. Dabei sind die Pin-Kontaktelemente PI in deren jeweiligen Längsrichtung LR zueinander parallel erstreckend nebeneinander angeordnet. Der Träger TR fixiert die Pin-Kontaktelemente PI in deren jeweiligen Positionen und isolieren zusätzlich die Pin-Kontaktelemente PI voneinander elektrisch.The pin contact elements PI are embedded in the common carrier TR except for respective two exposed end portions. The pin contact elements PI are arranged next to one another, extending parallel to one another in their respective longitudinal direction LR. The carrier TR fixes the pin contact elements PI in their respective positions and additionally insulates the pin contact elements PI from one another electrically.

Der Träger TR besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff und ist durch Spritzgießen um die Pin-Kontaktelemente PI geformt. Der Träger TR weist im Wesentlichen eine Quaderform auf, die sich in der Längsrichtung LR der Pin-Kontaktelemente PI und in eine Breitenrichtung BR quer zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei entsprechen die Längsrichtung LR des Trägers TR auch der Längsrichtung des Verbundes und die Breitenrichtung BR des Trägers TR auch der Breitenrichtung des Verbundes. An beiden Längskanten weist der Träger TR jeweils einen Vorsprung VS1 auf, die in der Breitenrichtung BR von der Mitte des Trägers TR weg vorstehend geformt sind und sich in der Längsrichtung LR erstrecken. Diese beiden Vorsprünge VS1 dienen zur Bildung von nachfolgend zu beschreibenden Nut-Feder- Verbindungen.The carrier TR consists of an electrically insulating plastic and is injection molded around the pin contact elements PI. The carrier TR essentially has a cuboid shape, which extends in the longitudinal direction LR of the pin contact elements PI and in a width direction BR transverse to the longitudinal direction LR. The longitudinal direction LR of the carrier TR also corresponds to the longitudinal direction of the composite and the width direction BR of the carrier TR also corresponds to the width direction of the composite. On each of the two longitudinal edges, the carrier TR has a projection VS1, which in the width direction BR protrudes away from the center of the carrier TR and extends in the longitudinal direction LR. These two projections VS1 are used to form tongue and groove connections to be described below.

Die Pin-Kontaktelemente PI sind jeweils an einem (unteren) freiliegenden Ende gegenüber dem Rest der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI um denselben Biegewinkel von 90° gebogen. Die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zur Längs- und Breitenrichtung LR, BR des Trägers TR und liegen allesamt in einer Erstreckungsebene EE, die sich senkrecht zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei bilden die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI jeweils einen ersten Kontaktabschnitt K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI zur Herstellung von direkten, stromführenden Verbindungen zu nachfolgend zu beschreibenden Leistungshalbleitern HL.The pin contact elements PI are each bent at a (lower) exposed end by the same bending angle of 90° in relation to the rest of the respective pin contact elements PI. The bent end sections of the respective pin contact elements PI extend in a direction perpendicular to the longitudinal and lateral directions LR, BR of the carrier TR and all lie in an extension plane EE, which extends perpendicular to the longitudinal direction LR. The bent end sections of the respective pin contact elements PI each form a first contact section K1 of the respective pin contact elements PI for producing direct, current-carrying connections to the power semiconductors HL to be described below.

An jeweiligem, dem ersten Kontaktabschnitt K1 abgewandten Ende weisen die Pin-Kontaktelemente PI jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt K2 auf, wobei die zweiten Kontaktabschnitte K2 jeweils zur Herstellung einer direkten Press-Fit-Verbindung oder einer direkten Lötverbindung zu externen elektrischen Kontaktpartnern dienen. Dabei erstrecken sich die zweiten Kontaktabschnitte K2 jeweils in der Längsrichtung LR des Trägers TR und somit senkrecht zu den ersten Kontaktabschnitten K1 der jeweiligen korrespondierenden Pin-Kontaktelemente PI und somit senkrecht zur Erstreckungsebene EE der ersten Kontaktabschnitte K1. Die zweiten Kontaktabschnitte K2 ragen wie die ersten Kontaktabschnitte K1 aus dem Träger TR heraus und liegen somit wie die ersten Kontaktabschnitte K1 frei.At each end remote from the first contact section K1, the pin contact elements PI each have a second contact section K2, with the second contact sections K2 each being used to produce a direct press-fit connection or a direct soldered connection to external electrical contact partners. The second contact sections K2 each extend in the longitudinal direction LR of the carrier TR and thus perpendicular to the first contact sections K1 of the respective corresponding pin contact elements PI and thus perpendicular to the extension plane EE of the first contact sections K1. Like the first contact sections K1, the second contact sections K2 protrude from the carrier TR and are therefore exposed like the first contact sections K1.

Der Träger TR bildet samt den teils eingebetteten Pin-Kontaktelementen PI einen einstückigen Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund TR+PI, der anschließende Transport und Montage der Pin-Kontaktelemente PI erleichtert.The carrier TR forms, together with the partially embedded pin contact elements PI, a one-piece carrier-pin contact element assembly TR+PI, which facilitates the subsequent transport and assembly of the pin contact elements PI.

2 und 3 zeigen jeweils in einer weiteren schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Leistungselektronikanordnung LA ist in dieser Ausführungsform als ein Leistungs-Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder als ein Teil vom Leistungs-Inverter gebildet. 2 and 3 each show a further schematic bird's-eye view of a section of a power electronics arrangement LA according to the exemplary embodiment of the invention. In this embodiment, the power electronics arrangement LA is formed as a power inverter for an electric drive of an electric vehicle or as a part of the power inverter.

Die Leistungselektronikanordnung LA weist ein Gehäuse GH auf, das einen Hohlraum HR umschließt, in dem unter anderem der zuvor beschriebene Verbund aus dem Träger TR und den Pin-Kontaktelementen PI sowie ein Leistungsmodul LM angeordnet sind.The power electronics arrangement LA has a housing GH, which encloses a cavity HR, in which, among other things, the above-described combination of the carrier TR and the pin contact elements PI and a power module LM are arranged.

Das Leistungsmodul LM weist mehrere Leistungshalbleiter HL auf, die gemeinsam eine mehrphasige Brückenschaltung bilden. Dabei sind Leistungshalbleiter HL entsprechend der Schaltungstopologie der Brückenschaltung auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet und über jeweilige elektrische Bodenflächenkontakte mit Leiterbahnen auf den jeweiligen Substraten elektrisch kontaktiert.The power module LM has a number of power semiconductors HL, which together form a multi-phase bridge circuit. In this case, power semiconductors HL are meh according to the circuit topology of the bridge circuit reren DCB or AMB substrates distributed and electrically contacted via respective electrical bottom surface contacts with conductor tracks on the respective substrates.

Die Leistungshalbleiter HL weisen jeweils mehrere Oberflächenkontakte O1, O2 auf, die auf einer der Mitte des Hohlraums HR zugewandten Seite der jeweiligen Leistungshalbleiter HL gebildet sind und zur Bildung von stromführenden Kontaktverbindungen der jeweiligen Leistungshalbleiter HL mit Steuer- bzw. Treiberschaltungen der jeweiligen Leistungshalbleiter HL dienen. Die Oberflächenkontakte O1, O2 sind entsprechend der Art der stromführenden Kontaktverbindungen, nämlich zur Bildung entsprechender Löt-, Sinter- oder (Ultraschal-)Schweißverbindung, entweder lötfähig oder sinterfähig oder (ultraschal-)schweißfähig gebildet.The power semiconductors HL each have a plurality of surface contacts O1, O2, which are formed on a side of the respective power semiconductor HL that faces the center of the cavity HR and are used to form current-carrying contact connections between the respective power semiconductors HL and control or driver circuits of the respective power semiconductors HL. The surface contacts O1, O2 are formed either solderable or sinterable or (ultrasound) weldable according to the type of current-carrying contact connections, namely to form a corresponding soldered, sintered or (ultrasonic) welded connection.

Dabei können die Leistungshalbleiter HL als Leistungs-MOSFETs mit einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss (zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiters HL) als zwei ersten Oberflächenkontakten 01 und einem weiteren Source- Anschluss (zum Leiten des Laststroms des Leistungshalbleiters HL) als einem zweiten Oberflächenkontakt O2 ausgeführt sein. Alternativ können die Leistungshalbleiter als Leistungs-IGBTs mit einem Gate-Anschluss und ggf. einem Emitter-Anschluss (zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiters HL) als erste Oberflächenkontakte 01 und einem weiteren Emitter-Anschluss (zum Leiten des Laststroms des Leistungshalbleiters HL) als einem zweiten Oberflächenkontakt ausgeführt sein.The power semiconductors HL can be used as power MOSFETs with a gate connection and a source connection (for applying the control voltage for controlling the power semiconductor HL) as two first surface contacts 01 and a further source connection (for conducting the load current of the power semiconductor HL) be designed as a second surface contact O2. Alternatively, the power semiconductors can be used as power IGBTs with a gate connection and possibly an emitter connection (for applying the control voltage for controlling the power semiconductor HL) as first surface contacts 01 and a further emitter connection (for conducting the load current of the power semiconductor HL) be designed as a second surface contact.

Dabei sind die Substrate bzw. die Leistungshalbleiter HL auf gleiche Bauhöhe angeordnet, sodass die Oberflächenkontakte O1, O2 der Leistungshalbleiter HL sich in einer Kontaktebene KE befinden und in dieser Kontaktebene KE erstrecken, die sich mit der zuvor beschriebenen Erstreckungsebene EE der ersten Kontaktabschnitte K1 der Pin-Kontaktelemente PI vollständig überlappt.The substrates or the power semiconductors HL are arranged at the same overall height, so that the surface contacts O1, O2 of the power semiconductors HL are located in a contact plane KE and extend in this contact plane KE, which extends with the previously described plane EE of the first contact sections K1 of the pin -Contact elements PI completely overlapped.

Die Leistungselektronikanordnung LA weist ein Halteelement HE auf, das zwei Vorsprünge VS2 aufweist, die voneinander beabstandet an einer Gehäusewand GW des Gehäuses GH von der Gehäusewand GW weg zur Mitte des Hohlraumes HR hineinragend gebildet sind und sich in einer Senkrechtrichtung SR senkrecht zur Kontaktebene KE erstrecken. In der Senkrechtrichtung SR betrachtet weisen die Vorsprünge VS2 jeweils einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt und somit eine sich in der Senkrechtrichtung SR erstreckende Nut NT auf. Das Halteelement HE bzw. die beiden Vorsprünge VS2 ermöglichen zum einen eine einfache Montage des Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbundes TR+PI durch einfaches Hineinschieben des Verbundes TR+PI entlang den Nuten NT in einer Einschubrichtung, die parallel zur Senkrechtrichtung SR liegt, hin zu dem Leistungsmodul LM. Zum anderen ermöglichen das Halteelement HE bzw. die beiden Vorsprünge VS2 einen stabilen Halt des Verbundes in dem Hohlraum HR des Gehäuses GH nach der Montage der Leistungselektronikanordnung LA.The power electronics arrangement LA has a holding element HE, which has two projections VS2, which are spaced apart from one another and are formed on a housing wall GW of the housing GH, projecting away from the housing wall GW toward the center of the cavity HR and extending in a vertical direction SR perpendicular to the contact plane KE. Viewed in the vertical direction SR, the projections VS2 each have an essentially C-shaped cross section and thus a groove NT extending in the vertical direction SR. The holding element HE and the two projections VS2 enable easy assembly of the carrier-pin-contact element assembly TR+PI by simply pushing the assembly TR+PI along the grooves NT in an insertion direction that is parallel to the vertical direction SR to the power module LM. On the other hand, the holding element HE or the two projections VS2 enable the assembly to be held stably in the cavity HR of the housing GH after the power electronics arrangement LA has been installed.

Der Verbund TR+PI ist in dem Hohlraum HR des Gehäuses GH angeordnet. Dabei ist der Träger TR in dessen Längsrichtung LR in einen Zwischenraum zwischen den beiden Vorsprüngen VS2 des Halteelements HE hineingesteckt, wobei die beiden Vorsprünge VS1 des Trägers TR jeweils entlang bzw. parallel zu der Senkrechtrichtung SR in eine der beiden Nuten NT hineingeführt sind und mit den jeweiligen korrespondierenden Nuten NT jeweils eine von zwei Nut-Feder-Verbindungen bilden. Die beiden Nut-Feder-Verbindungen halten den Träger TR und somit den Verbund TR+PI an der Gehäusewand GW bzw. dem Gehäuse GH und somit die Pin-Kontaktelemente PI in ihren jeweiligen Positionen fest und verhindern insb. dass sich die Pin-Kontaktelemente PI und somit die ersten Kontaktabschnitte K1 der Pin-Kontaktelemente PI ungewollt gegenüber den Leistungshalbleitern HL und somit den ersten Oberflächenkontakten 01 verschieben.The combination TR+PI is arranged in the cavity HR of the housing GH. The carrier TR is inserted in its longitudinal direction LR into an intermediate space between the two projections VS2 of the holding element HE, with the two projections VS1 of the carrier TR being guided into one of the two grooves NT along or parallel to the vertical direction SR and with the respective corresponding grooves NT each form one of two tongue and groove connections. The two tongue and groove connections hold the carrier TR and thus the composite TR+PI on the housing wall GW or the housing GH and thus the pin contact elements PI in their respective positions and prevent in particular the pin contact elements PI and thus move the first contact sections K1 of the pin contact elements PI unintentionally relative to the power semiconductors HL and thus the first surface contacts 01.

Die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI liegen jeweils auf den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der jeweiligen Leistungshalbleiter HL auf und sind direkt auf die jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt, insb. ultraschalgeschweißt. Damit sind die ersten Kontaktabschnitte K1 mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 direkt körperlich wie elektrisch kontaktiert. Dabei erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte K1 in der Kontaktebene KE und entlang den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 und sind somit über deren nahezu gesamte Länge mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 körperlich wie elektrisch kontaktiert. Der Träger TR samt den in dem Träger TR eingebetteten Abschnitten der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI sowie die zweiten Kontaktabschnitte K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI erstrecken sich in der Senkrechtrichtung SR senkrecht zur Kontaktebene KE von der Kontaktebene KE weg. Die zweiten Kontaktabschnitte K2 ermöglichen stabile elektrische Verbindungen, bspw. stabile Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, zwischen den Pin-Kontaktelementen PI einerseits und externen elektrischen Press-Fit-Kontaktpartnern andererseits in einer Verbindungsrichtung, die parallel zur Senkrechtrichtung SR und somit senkrecht zur Kontaktebene KE verläuft.The first contact sections K1 of the respective pin contact elements PI each rest on the respective corresponding first surface contacts 01 of the respective power semiconductors HL and are soldered, sintered or welded directly onto the respective corresponding first surface contacts 01, in particular ultrasonically welded. The first contact sections K1 are thus in direct physical and electrical contact with the respective corresponding first surface contacts 01. The first contact sections K1 extend in the contact plane KE and along the respective corresponding first surface contacts 01 and are therefore in physical and electrical contact with the respective corresponding first surface contacts 01 over almost their entire length. The carrier TR together with the sections of the respective pin contact elements PI embedded in the carrier TR and the second contact sections K2 of the respective pin contact elements PI extend away from the contact plane KE in the vertical direction SR perpendicular to the contact plane KE. The second contact sections K2 enable stable electrical connections, e.g. stable press-fit connections or soldered connections, between the pin contact elements PI on the one hand and external electrical press-fit contact partners on the other hand in a connection direction that is parallel to the vertical direction SR and thus perpendicular to the contact plane KE runs.

Die Herstellung der Leistungselektronikanordnung LA erfolgt unter anderem in nachfolgenden Verfahrensschritten:

  • Zunächst wird ein Gehäuse GH bereitgestellt, das einen Hohlraum HR zumindest teilweise umschließt und zumindest eine Gehäusewand GW aufweist, an der ein Haltelement HE mit zwei Vorsprüngen VS2 gebildet ist. Dabei werden die beiden Vorsprünge VS2 voneinander beabstandet an der Gehäusewand GW derart geformt, dass diese in deren jeweiligen Erstreckungsrichtungen (die sich parallel zur oben genannten Senkrechtrichtung SR erstreckt) betrachtet jeweils einen C-förmigen Querschnitt und somit eine sich in der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Vorsprünge VS2 erstreckende Nut NT aufweisen.
The production of the power electronics arrangement LA takes place, among other things, in the following process steps:
  • First, a housing GH is provided, which at least partially encloses a cavity HR and has at least one housing wall GW, on which a holding element HE with two projections VS2 is formed. The two projections VS2 are formed at a distance from one another on the housing wall GW in such a way that, viewed in their respective directions of extension (which extends parallel to the above-mentioned vertical direction SR), they each have a C-shaped cross section and thus a length in the direction of extension of the respective projections VS2 have extending groove NT.

Ferner wird ein Leistungsmodul LM mit mehreren Leistungshalbleitern HL (Leistungs-MOSFETs oder Leistungs-IGBTs) mit Oberflächenkontakten O1, O2 und einem Bodenflächenkontakt bereitgestellt. Dabei werden die Leistungshalbleiter HL auf mehrere DCB- oder AMB-Substrate verteilt platziert und über deren jeweiligen Bodenflächenkontakt auf entsprechende Leiterbahnen der jeweils Substrate aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt und somit elektrisch kontaktiert.Furthermore, a power module LM with a plurality of power semiconductors HL (power MOSFETs or power IGBTs) with surface contacts O1, O2 and a bottom surface contact is provided. In this case, the power semiconductors HL are distributed over a plurality of DCB or AMB substrates and are soldered, sintered or welded onto corresponding conductor tracks of the respective substrates via their respective bottom surface contact and are thus electrically contacted.

Ferner werden Pin-Kontaktelemente PI aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in Stift-Form geformt. Bspw. werden die Pin-Kontaktelemente PI aus einem Draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in Stift-Form gestanzt. Die Pin-Kontaktelemente PI werden in deren jeweiligen Längsrichtung LR betrachtet zueinander parallel nebeneinander platziert und mit einer elektrisch isolierenden Kunststoff-Spritzmaße mit Ausnahme von jeweiligen beiden freiliegenden Endabschnitten (bzw. den jeweiligen ersten und zweiten Kontaktabschnitten K1, K2) vollständig umspritzt. Nach dem Erhärten bildet die Spritzmaße einen Träger TR, der sich im Wesentlichen quaderförmig in der Längsrichtung LR der Pin-Kontaktelemente PI und in der Breitenrichtung BR quer zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei wird der Träger TR derart geformt, dass dieser an dessen beiden Längskanten jeweils einen sich von der Mitte des Trägers TR weg in der Breitenrichtung BR vorsehenden Vorsprung VS1 aufweist, wobei sich die Vorsprünge VS1 in der Längsrichtung LR erstrecken.Furthermore, pin contact elements PI are formed of copper or a copper alloy in a pin shape. For example, the pin contact elements PI are stamped in the form of a pin from a wire made of copper or a copper alloy. Viewed in their respective longitudinal direction LR, the pin contact elements PI are placed parallel to one another next to one another and completely encapsulated with an electrically insulating plastic injection molding, with the exception of the respective two exposed end sections (or the respective first and second contact sections K1, K2). After hardening, the sprayed mass forms a carrier TR, which extends essentially cuboid in the longitudinal direction LR of the pin contact elements PI and in the width direction BR transverse to the longitudinal direction LR. The carrier TR is shaped in such a way that on its two longitudinal edges it has a projection VS1 extending away from the center of the carrier TR in the width direction BR, with the projections VS1 extending in the longitudinal direction LR.

Die Pin-Kontaktelemente PI werden jeweils an einem (unteren, zueinander korrespondierenden) freiliegenden Endabschnitt um 90° gebogen, wobei sich die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI zueinander parallel und senkrecht zur Längs- und Breitenrichtung LR, BR erstrecken. Diese gebogenen Endabschnitte bilden die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI. Weitere freiliegende Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI, die den jeweiligen ersten Kontaktabschnitt K1 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI abgewandt liegen, bleiben geradlinig in der Längsrichtung LR der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI und bilden jeweils den zweiten Kontaktabschnitt K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI.The pin contact elements PI are each bent through 90° at a (lower, mutually corresponding) exposed end section, the bent end sections of the respective pin contact elements PI extending parallel to one another and perpendicular to the longitudinal and width directions LR, BR. These bent end sections form the first contact sections K1 of the respective pin contact elements PI. Further exposed end sections of the respective pin contact elements PI, which face away from the respective first contact section K1 of the corresponding pin contact elements PI, remain straight in the longitudinal direction LR of the respective pin contact elements PI and form the second contact section K2 of the respective pin contact elements PI .

Alternativ werden die Pin-Kontaktelemente PI zuerst an dem jeweiligen Endabschnitt (dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt K1) gebogen und danach mit der Kunststoff-Spritzmaße umspritzt.Alternatively, the pin contact elements PI are first bent at the respective end section (the respective first contact section K1) and then overmoulded with the plastic injection mold.

Das Leistungsmodul LM wird samt den Leistungshalbleitern HL in den Hohlraum HR des Gehäuses GH hineingelegt. Dabei wird das Leistungsmodul LM in dem Hohlraum HR derart platziert, dass die Kontaktebene KE der Oberflächenkontakten O1, O2 der Leistungshalbleiter HL senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Nuten NT bzw. der Vorsprunge VS2 des Halteelements HE (bzw. der zuvor genannten Senkrechtrichtung SR) liegt und die Oberflächenkontakte O1, O2 auf einer den Nuten NT bzw. der Mittel des Hohlraumes HR zugewandten Seite der jeweiligen Leistungshalbleiter HL liegen.The power module LM, together with the power semiconductors HL, is placed in the cavity HR of the housing GH. The power module LM is placed in the cavity HR in such a way that the contact plane KE of the surface contacts O1, O2 of the power semiconductors HL is perpendicular to the direction of extension of the grooves NT or the projections VS2 of the retaining element HE (or the aforementioned perpendicular direction SR) and the Surface contacts O1, O2 lie on a side of the respective power semiconductor HL facing the grooves NT or the center of the cavity HR.

Danach wird der Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund TR+PI in den Hohlraum HR des Gehäuses GH hineingelegt. Dabei wird der Träger TR samt den Pin-Kontaktelementen PI in dessen Längsrichtung LR in den Zwischenraum zwischen den beiden Vorsprüngen VS2 des Halteelements HE hineingeschoben, wobei die beiden Vorsprünge VS1 des Trägers TR jeweils entlang eine der beiden Nuten NT des Halteelements HE in deren jeweiligen Erstreckungsrichtung (und somit in der zuvor genannten Senkrechtrichtung SR) hindurchgeführt werden. Die dabei entstandenen Nut-Feder-Verbindungen zwischen den Nuten NT am Halteelement HE einerseits und den Vorsprüngen VS1 am Träger TR andererseits halten den Träger TR samt den Pin-Kontaktelementen PI an der Gehäusewand GW fest. Dabei wird der Träger TR „bis zum Anschlag“ hineingeschoben, sodass die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI in der zuvor genannten Kontaktebene KE auf den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der jeweiligen Leistungshalbleiter HL aufliegen und in der Kontaktebene KE auch mit diesen körperlich kontaktiert sind.After that, the carrier-pin-contact-element combination TR+PI is placed in the cavity HR of the housing GH. The carrier TR together with the pin contact elements PI is pushed in its longitudinal direction LR into the space between the two projections VS2 of the holding element HE, with the two projections VS1 of the carrier TR each being pushed along one of the two grooves NT of the holding element HE in their respective direction of extension (and thus in the aforesaid perpendicular direction SR). The resulting tongue and groove connections between the grooves NT on the holding element HE on the one hand and the projections VS1 on the carrier TR on the other hold the carrier TR together with the pin contact elements PI on the housing wall GW. The carrier TR is pushed in “up to the stop” so that the first contact sections K1 of the respective pin contact elements PI lie on the respective corresponding first surface contacts 01 of the respective power semiconductors HL in the aforementioned contact plane KE and also physically with them in the contact plane KE are contacted.

Anschließend werden die ersten Kontaktabschnitte K1 mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 durch Löten, Sintern oder (Ultraschal-)Schweißen körperlich wie elektrisch verbunden.The first contact sections K1 are then physically and electrically connected to the respective corresponding first surface contacts 01 by soldering, sintering or (ultrasonic) welding.

Danach werden zweiten Kontaktabschnitte K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI mittels Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen mit externen elektrischen Press-Fit-Kontaktpartnern, wie z. B. von Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungsmodule LM, elektrisch kontaktiert. Dabei werden die Press-Fit-Kontaktpartner in einer Pressrichtung auf die jeweiligen korrespondierenden zweiten Kontaktabschnitte K2 gepresst bzw. aufgesteckt, die parallel zur Senkrechtrichtung SR bzw. senkrecht zur Kontaktebene KE verläuft.Thereafter, the second contact portions K2 of the respective pin contact elements PI by means Press-fit connections or solder connections with external electrical press-fit contact partners, e.g. B. of driver or control circuits for the power modules LM, electrically contacted. The press-fit contact partners are pressed or pushed onto the respective corresponding second contact sections K2 in a pressing direction that runs parallel to the vertical direction SR or perpendicular to the contact plane KE.

Die Pin-Kontaktelemente PI ermöglichen somit direkte elektrische Verbindungen zu den Leistungshalbleitern HL ohne zusätzlichen Bondverbindungen, wie z. B. mittels Alu-Bonddrähte, die anfällig für mechanische Schwingungen bzw. thermischen Schwankungen sind und zusätzliche „Landefläche“ brauchen. Dadurch, dass die Pin-Kontaktelemente PI aus Kupfer oder einer Kupferlegierung massiv gebaut sind, lassen sich diese einfacherweise auf die jeweiligen ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL auflöten, aufsintern oder aufschweißen, insb. ultraschalschweißen.The pin contact elements PI thus allow direct electrical connections to the power semiconductors HL without additional bonds such. B. using aluminum bonding wires, which are susceptible to mechanical vibrations or thermal fluctuations and require additional "landing space". Because the pin contact elements PI are made of solid copper or a copper alloy, they can easily be soldered, sintered or welded, especially ultrasonically, onto the respective first surface contacts 01 of the power semiconductors HL.

Die ersten Kontaktabschnitte K1, die zum Rest der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI und somit auch zu den jeweiligen zweiten Kontaktabschnitten K2 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI um einen Biegewinkel von 90° gebogen sind, ermöglichen elektrische Kontaktierungen mit den korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL in der Kontaktebene KE, die senkrecht zur Pressrichtung der zweiten Kontaktabschnitte K2 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI mit den externen Press-Fit-Kontaktpartnern liegt.The first contact sections K1, which are bent at a bending angle of 90° to the rest of the respective pin contact elements PI and thus also to the respective second contact sections K2 of the corresponding pin contact elements PI, enable electrical contacts to be made with the corresponding first surface contacts 01 of the power semiconductors HL in the contact plane KE, which is perpendicular to the pressing direction of the second contact sections K2 of the corresponding pin contact elements PI with the external press-fit contact partners.

Die Nut-Feder-Verbindungen zwischen dem Gehäuse GH bzw. dem Halteelement HE am Gehäuse GH einerseits und dem Träger TR andererseits ermöglichen zum einen eine einfache Montage des Trägers TR in einer Montagerichtung senkrecht zur Kontaktebene KE und andererseits einen stabilen Halt der ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI gegenüber den korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL in der Kontaktebene KE.The tongue and groove connections between the housing GH or the retaining element HE on the housing GH on the one hand and the carrier TR on the other hand enable simple assembly of the carrier TR in an assembly direction perpendicular to the contact plane KE and a stable hold of the first contact sections K1 of the respective pin contact elements PI in relation to the corresponding first surface contacts 01 of the power semiconductors HL in the contact plane KE.

Claims (11)

Leistungselektronikanordnung (LA), aufweisend: - ein Leistungsmodul (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (01); - zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1); - wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den jeweiligen Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind; - wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken; - wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet sind.Power electronics arrangement (LA), comprising: - A power module (LM) with two or more power semiconductors (HL) each having a surface contact (01); - Two or more solid pin contact elements (PI) each having a first contact section (K1); - Wherein the pin contact elements (PI) are each soldered, sintered or welded directly onto the respective surface contact (O1) of the respective power semiconductor (HL) via their respective first contact section (K1); - The first contact sections (K1) each extending along the surface contact (O1) of the respective corresponding power semiconductor (HL); - Wherein the pin contact elements (PI) are each partially embedded in a common carrier (TR) made of an electrically insulating insulating material. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 1, wobei die ersten Kontaktabschnitte (K1) der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt der entsprechenden Pin-Kontaktelemente (PI) gebogen sind, der sich an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt.Power electronics arrangement (LA) according to claim 1 , wherein the first contact sections (K1) of the pin contact elements (PI) are each bent relative to the respective section of the corresponding pin contact elements (PI), which adjoins the respective corresponding first contact section. Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) in einer Kontaktebene (KE) befinden, in der sich die Oberflächenkontakte (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) erstrecken, wobei sich der Träger (TR) samt den Abschnitten der Pin-Kontaktelemente (PI), die in dem Träger (TR) eingebettet sind, von der Kontaktebene (KE) weg erstreckt.Power electronics arrangement (LA) according to one of the preceding claims, wherein the first contact sections (K1) are in a contact plane (KE) in which the surface contacts (O1) of the respective power semiconductors (HL) extend, the carrier (TR) together the portions of the pin contact elements (PI), which are embedded in the carrier (TR), from the contact plane (KE) away. Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils an einem von dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) abgewandten Bereich einen zweiten Kontaktabschnitt (K2) aufweisen, der zur Bildung einer elektrisch leitenden Verbindung eingerichtet ist.Power electronics arrangement (LA) according to one of the preceding claims, wherein the pin contact elements (PI) each have a second contact section (K2) on an area remote from the respective first contact section (K1), which is set up to form an electrically conductive connection. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Ansprüchen 3 und 4, wobei sich die zweiten Kontaktabschnitte (K2) von der Kontaktebene (KE) weg erstrecken.Power electronics arrangement (LA) according to claims 3 and 4 , The second contact sections (K2) extending away from the contact plane (KE). Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner ein Halteelement (HE) aufweist, wobei das Halteelement (HE) mit dem Träger (TR) in Richtungen parallel zur Kontaktebene (KE) formschlüssig verbunden ist und den Träger (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) gegenüber den Leistungshalbleitern (HL) festhält.Power electronics arrangement (LA) according to one of the preceding claims, which also has a holding element (HE), wherein the holding element (HE) is positively connected to the carrier (TR) in directions parallel to the contact plane (KE) and the carrier (TR) together with the Pin contact elements (PI) against the power semiconductors (HL) holds. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 6, wobei das Halteelement (HE) mit dem Träger (TR) mittels mindestens einer Nut-Feder-Verbindung formschlüssig verbunden ist, wobei sich die Nut (NT) dieser Verbindung von der Kontaktebene (KE) weg erstreckt.Power electronics arrangement (LA) according to claim 6 , wherein the holding element (HE) is positively connected to the carrier (TR) by means of at least one tongue and groove connection, the groove (NT) of this connection extending away from the contact plane (KE). Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 6 oder 7, die ferner ein Gehäuse (GH) aufweist, in dem das Leistungsmodul (LM) samt den Leistungshalbleitern (HL) und der Träger (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) angeordnet sind, wobei das Halteelement (HE) ein Teilabschnitt des Gehäuses (GH) ist oder an dem Gehäuse (GH) befestigt ist.Power electronics arrangement (LA) according to claim 6 or 7 , Further comprising a housing (GH) in which the power module (LM) together with the Power semiconductors (HL) and the carrier (TR) together with the pin contact elements (PI) are arranged, wherein the holding element (HE) is a section of the housing (GH) or is attached to the housing (GH). Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bereitstellen eines Leistungsmoduls (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (O1); - Bereitstellen von zwei oder mehr massiven Pin-Kontaktelementen (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1); - Einbetten der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial; - Anordnen des Trägers (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) auf das Leistungsmodul (LM) derart, dass sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken; - Verbinden der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern (HL) elektrisch durch Auflöten, Aufsintern, Aufschweißen oder Ultraschallschweißen der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL).Method for producing a power electronics arrangement (LA) according to one of the preceding claims, with the following method steps: - Providing a power module (LM) with two or more power semiconductors (HL) each having a surface contact (O1); - Providing two or more solid pin contact elements (PI) each having a first contact section (K1); - Embedding the pin contact elements (PI) each partially in a common carrier (TR) made of an electrically insulating insulating material; - Arranging the carrier (TR) together with the pin contact elements (PI) on the power module (LM) such that the first contact sections (K1) each extend along the surface contact (O1) of the respective corresponding power semiconductor (HL); - Connect the pin contact elements (PI) to the respective power semiconductors (HL) electrically by soldering, sintering, welding or ultrasonic welding of the pin contact elements (PI) via their respective first contact section (K1) directly to the surface contact (O1). respective power semiconductors (HL). Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit folgenden Verfahrensschritten: - Anordnen des Trägers (TR) auf das Leistungsmodul (LM) durch Einschieben des Trägers (TR) in einer Einschubrichtung hin zum Leistungsmodul (LM), bis die ersten Kontaktabschnitte (K1) der jeweiligen Pin-Kontaktelemente (PI) in einer Kontaktebene (KE) liegen, in der sich die Oberflächenkontakte (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) erstrecken.procedure after claim 9 , also with the following method steps: - arranging the carrier (TR) on the power module (LM) by inserting the carrier (TR) in an insertion direction towards the power module (LM) until the first contact sections (K1) of the respective pin contact elements (PI ) lie in a contact plane (KE) in which the surface contacts (O1) of the respective power semiconductors (HL) extend. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die ersten Kontaktabschnitte (K1) der Pin-Kontaktelemente (PI) vor dem Schritt des Anordnens gegenüber dem jeweiligen Abschnitt bzw. dem Rest der entsprechenden Pin-Kontaktelemente (PI), der sich an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt (K1) anschließt, jeweils um einen Biegewinkel gebogen werden, wobei der Biegewinkel einem Schnittwinkel zwischen der Einschubrichtung und der Kontaktebene (KE) entspricht.Procedure according to one of claims 9 until 10 , wherein the first contact sections (K1) of the pin contact elements (PI) before the step of arranging opposite the respective section or the remainder of the corresponding pin contact elements (PI), which adjoins the respective corresponding first contact section (K1), are each bent by a bending angle, the bending angle corresponding to an angle of intersection between the insertion direction and the contact plane (KE).
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