DE102022000224A1 - Leistungshalbleitermodule mit einem mit vergussmaterial fixierten stromsensormodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodule mit einem mit vergussmaterial fixierten stromsensormodul Download PDF

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power semiconductor
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bus bar
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Christoph Koch
Mark Nils Münzer
Tomas Manuel Reiter
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul beschrieben, das Folgendes aufweist: einen Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst; ein in dem Rahmen angeordnetes erstes Substrat; mehrere Leistungshalbleiter-Dies, die an dem ersten Substrat befestigt sind; mehrere Signalpins, die an dem ersten Substrat befestigt sind und mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; eine Stromschiene, die sich von dem ersten Substrat durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; ein in einer Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene angeordnetes Stromsensormodul, wobei das Stromsensormodul einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und ein Vergussmaterial, das das Stromsensormodul so an dem Rahmen fixiert, dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist. Das Vergussmaterial kontaktiert den Rahmen und den Stromsensor. Es werden auch Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbeitermoduls beschrieben.

Description

  • HINTERGRUND
  • Sensoren für gleichphasigen Strom können in einer Hochleistungsansteuerungsanwendung verwendet werden, um Phasenströme zu bestimmen, die durch ein Leistungsmodul zu beispielsweise einem Elektromotor geliefert werden. Eine Implementierung solch eines Sensors für gleichphasigen Strom verwendet ein kernbasiertes Prinzip der magnetischen Stromerfassung. In der Regel ist ein kernbasierter Sensor für gleichphasigen Strom ein Magnetsensor, der einen Feldkonzentrator (z. B. einen um eine Stromschiene gewickelten Eisenkern) implementiert, um ein durch einen durch die Stromschiene fließenden Strom erzeugtes Magnetfeld auf ein Magneterfassungselement zu konzentrieren, so dass eine Messung erhalten werden kann. Eine andere Implementierung eines Sensors für gleichphasigen Strom verwendet ein kernloses Prinzip der magnetischen Stromerfassung. In der Regel ist ein kernloser Sensor für gleichphasigen Strom ein Magnetsensor, der ein oder mehrere Erfassungselemente in der Nähe einer Stromschiene implementiert, so dass eine Messung basierend auf einem durch einen durch die Stromschiene fließenden Strom erzeugten Magnetfeld erhalten werden kann, wie durch das eine oder die mehreren Erfassungselemente erfasst. Solch ein Sensor für gleichphasigen Strom kann zum Beispiel in einem DC-AC-Wechselrichter, einem DC-DC-Wandler, einem AC-DC-Wandler, einem DC-AC-Wandler, einem AC-AC-Wandler oder dergleichen verwendet werden.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls umfasst das Leistungshalbleitermodul Folgendes: einen Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst; ein in dem Rahmen angeordnetes erstes Substrat; mehrere Leistungshalbleiter-Dies, die an dem ersten Substrat befestigt sind; mehrere Signalpins, die an dem ersten Substrat befestigt sind und mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; eine Stromschiene, die sich von dem ersten Substrat durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; ein in einer Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene angeordnetes Stromsensormodul, wobei das Stromsensormodul einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und ein Vergussmaterial, das das Stromsensormodul so an dem Rahmen fixiert, dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls umfasst das Verfahren Folgendes: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies an einem ersten Substrat; Befestigen mehrerer Signalpins an dem ersten Substrat, und die mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; Anordnen des ersten Substrats in einem Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene von dem ersten Substrat durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; Anordnen eines Stromsensormoduls in einer Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene, wobei das Stromsensormodul einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und Fixieren des Stromsensormoduls an dem Rahmen mit einem Vergussmaterial, derart, dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbeitermoduls umfasst das Verfahren Folgendes: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies an einem oder mehreren Substraten, wobei die Leistungshalbleiter-Dies einen Multiphasen-Wechselrichter bilden; Befestigen mehrerer Signalpins an dem einen oder den mehreren Substraten, und die mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; Anordnen des einen oder der mehreren Substrate in einem Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene für jede Phase des Mehrphasen-Wechselrichters durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; Anordnen mehrerer Stromsensormodule in Aufnahmen des Rahmens, wobei sich jedes Stromsensormodul in Erfassungsnähe einer der Stromschienen befindet und einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und Fixieren der Stromsensormodule an dem Rahmen mit einem Vergussmaterial, derart, dass zwischen dem Stromsensor und der entsprechenden Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Der Fachmann erkennt bei Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Durchsicht der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile.
  • Figurenliste
  • Die Elemente der Zeichnungen sind bezüglich einander nicht zwangsweise maßstäblich. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende gleiche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, es sei denn, sie schließen einander aus. In den Zeichnungen sind Ausführungsformen gezeigt, die in der folgenden Beschreibung ausführlich beschrieben werden.
    • 1A bis 1E stellen perspektivische Seitenansichten einer Ausführungsform der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das an dem Modulrahmen fixierte Stromsensormodule aufweist, dar.
    • 2A und 2B stellen perspektivische Seitenansichten einer anderen Ausführungsform der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das an dem Modulrahmen fixierte Stromsensormodule aufweist, dar.
    • 3 stellt eine Querschnittsansicht in einem Gebiet eines Leistungshalbleitermoduls, in dem ein Stromsensormodul in einer Aufnahme des Modulrahmens angeordnet ist, dar.
    • 4A und 4B stellen Querschnittsansichten in einem Gebiet eines Leistungshalbleitermoduls, in dem ein Stromsensormodul während des Modulmontageprozesses in einer Aufnahme des Modulrahmens angeordnet ist, gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
    • 5A bis 5G stellen Querschnittsansichten einer anderen Ausführungsform der Herstellung eines Leistungshalbeitermoduls, das an dem Modulrahmen fixierte Stromsensormodule aufweist, dar.
    • 6A bis 6D stellen Querschnittsansichten einer anderen Ausführungsform der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das an dem Modulrahmen fixierte Stromsensormodule aufweist, dar.
    • 7 stellt eine Teilquerschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Leistungshalbeitermoduls dar.
    • 8 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform, bei der die Stromsensoren des Leistungshalbleitermoduls als Differenzialhallsensoren implementiert sind, dar.
    • 9 stellt ein Schaltschema einer Motorsteuerschleife für ein Leistungshalbleitermodul, das ein an dem Modulrahmen befestigtes Stromsensormodul für jede Phase des Systems aufweist, dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen ein Leistungshalbleitermodul und ein Integrationsverfahren zur Herstellung eines modulintegrierten Stromsensorsystems bereit. Die hier beschriebenen Ausführungsformen vermeiden durch Verwendung einer Schablone zur Sensorplatzierung und -fixierung Sensorumspritzungsprozesse, was enge (geringe) Signal-zu-Sensorpin-Toleranzen gestattet. Des Weiteren werden Luftspalte zwischen dem Stromsensor und der zu erfassenden Stromschiene vermieden, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit für Isolierung und Teilentladung gewährleistet wird. Des Weiteren wird der Werkzeugausstattungsaufwand in der Produktion minimiert, da standardmäßige Ausrüstung und Herstellungsprozesse wiederverwendet werden können.
  • Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele des Leistungshalbleitermoduls und des Integrationsverfahrens zur Herstellung eines modulintegrierten Stromsensorsystems beschrieben.
  • Die 1A bis 1E stellen eine Ausführungsform der Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das an dem Modulrahmen fixierte Stromsensormodule aufweist, dar. Das Leistungshalbleitermodul kann zum Beispiel zur Verwendung als ein DC-AC-Wechselrichter, ein DC-DC-Wandler, ein AC-DC-Wandler, ein DC-AC-Wandler, ein AC-AC-Wandler oder der gleichen ausgelegt sein.
  • In 1A sind mehrere erste Leistungshalbleiter-Dies 100 an einem ersten Substrat 102 befestigt. In Abhängigkeit von der Anwendung, für die das Leistungshalbleitermodul ausgelegt ist, können zusätzliche Leistungshalbleiter-Dies an einem oder mehreren zusätzlichen Substraten befestigt sein. Im Falle eines dreiphasigen Wechselrichters oder Wandlers kann das Leistungshalbleitermodul ferner mehrere zweite Leistungshalbleiter-Dies 4, die an einem zweiten Substrat 106 befestigt sind, und mehrere dritte Leistungshalbleiter-Dies 108, die an einem dritten Substrat 110 befestigt sind, aufweisen.
  • Jedes Substrat 102, 106, 110 kann ein DCB-Substrat (DCB, direct copper bonded), ein AMB-Substrat (AMB, active metal brazed), IMS (insulated metal substrate) usw. sein. In jedem Fall können die Substrate 102, 106, 110 eine strukturierte metallisierte Oberfläche 112 aufweisen, die einen Teil der elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleiter-Dies 100, 104, 108 der gleichen Gruppe bereitstellt. Jede Gruppe von Halbleiter-Dies 100, 104, 108 kann z. B. über Bonddrähte 114 und die strukturierte metallisierte Oberfläche 112 des entsprechenden Substrats 102, 106, 110 elektrisch miteinander verbunden sein, um eine Halbbrücke, die gemeinhin auch als H-Brücke bezeichnet wird, zu bilden.
  • In dem in 1A gezeigten Beispiel ist das Leistungshalbleitermodul zur Verwendung als ein dreiphasiger Wechselrichter ausgelegt, und durch die jeweiligen Gruppen von Halbleiter-Dies 100, 104, 108 werden 3 Halbbrücken realisiert. Mehr als ein Halbleiter-Die 100, 104, 108 von der gleichen Gruppe kann parallel gekoppelt sein, um eine höhere Strombelastbarkeit bereitzustellen. Jede Halbbrücke weist einen Phasenausgang auf, der mit einer entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120, die in Abhängigkeit von der Anwendung, in der das Leistungshalbeitermodul, verwendet wird, Eingangs- oder Ausgangsleistung bereitstellt, elektrisch gekoppelt ist. Jede PhasenStromschiene 116, 118, 120 erstreckt sich von dem entsprechenden Substrat 102, 106, 110 durch eine Seitenfläche 122a des Rahmens 122, in dem die Substrate 102, 106, 110 angeordnet sind. Der Rahmen 122 umfasst ein elektrisch isolierendes Material wie beispielsweise Kunststoff. Jeweilige Versorgungs(spannungs)Stromschienen 124/126, 128/130, 132/134 erstrecken sich durch eine andere Seitenfläche 122b des Rahmens 122 und stellen eine Spannungsversorgung für die entsprechenden Gruppen von Halbleiter-Dies 100, 104, 108 bereit. Ein Massebezugspunkt kann durch eine Basisplatte 135, an der der Rahmen 122 befestigt sein kann, bereitgestellt werden. Die Basisplatte 135 kann an einem Kühler (nicht gezeigt), auch an Masse, befestigt sein.
  • Die Art und Anzahl von Halbleiter-Dies 100, 104, 108 kann von der Anwendung, für die das Leistungshalbleitermodul ausgelegt ist, abhängig sein. Zum Beispiel können die Halbleiter-Dies 100, 104, 108 Leistungs-MOSFET-Dies (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), HEMT-Dies, (HEMT, highelectron mobility transistor), IGBT-Dies (insulated gate bipolar transistor), Leistungsdioden-Dies usw. sein.
  • In jedem Fall sind jeweilige Signalpins 136, 138, 140 an jedem Substrat 102, 106, 110 befestigt und sind z. B. über die strukturierte metallisierte Oberfläche 112 des entsprechenden Substrats 102, 106, 110 und einen oder mehrere Bonddrähte 114 mit der entsprechenden Gruppe von Leistungshalbleiter-Dies 100, 104, 108 elektrisch verbunden. Die Signalpins 136, 138, 140 stellen eine Steuersignalisierung wie beispielsweise Gate-Signale für die jeweiligen Gruppen von Leistungshalbleiter-Dies 100, 104, 108 bereit. Gemäß der in 1A dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Signalpins 136, 138, 140 vertikal von den jeweiligen Substraten 102, 106, 110 weg.
  • In 1B ist ein Stromsensormodul 142 zur Anordnung in einer entsprechenden Aufnahme 144 des Rahmens 122 in Erfassungsnähe einer entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120 vorbereitet. Jedes Stromsensormodul 142 weist einen Stromsensor 146 wie beispielsweise einen Differenzialhallsensor auf, der an einer Leiterplatte 148 befestigt ist. Jedes Stromsensormodul 142 kann einen relativ großen Strom, z. B. 500A oder mehr, erfassen und kann 2 Hallsonden zum Messen des die entsprechende Stromschiene 116, 118, 120 umgebenden Magnetfelds über Differenzial-Hallerfassung aufweisen.
  • Anschlusspins (Anschlüsse) 150 erstrecken sich von der Leiterplatte 148 weg, um eine Stelle für eine äußere elektrische Verbindung für den Stromsensor 146 bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform weist der Stromsensor 146 ein in einer Formmasse eingeschlossenes ungehäustes Halbleiter-Die (Chip) auf. Der Stromsensor 146 kann ein oberflächenmontiertes Bauteil (SMD, surface mount device) sein, ohne einem Umspritzungsprozess unterzogen zu werden.
  • Eine Schablone 152 ist zum Anordnen jedes Stromsensormoduls 142 in der entsprechenden Rahmenaufnahme 144 vorgesehen. Die Schablone 152 weist erste Öffnungen 154, die zum Aufnehmen des freien Endes der an jedem Substrat 102, 106, 110 befestigten Signalpins 136, 138, 140 und des freien Endes der Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142, wenn die Schablone 152 und der Rahmen 122 zusammengepresst werden, bemessen sind. Die Schablone 152 kann auch zweite Öffnungen 156 aufweisen, die zum Aufnehmen von Ausrichtungsmerkmalen 158 wie beispielsweise Pins oder Stiften, die sich in 1B entlang der z-Richtung von dem Rahmen 122 erstrecken, bemessen sind.
  • Jedes Stromsensormodul 142 wird durch Fixieren des Stromsensormoduls 142 an der Schablone 152 und dann Pressen der Schablone 152 mit jedem Stromsensormodul 142 auf den Rahmen 122, derart, dass jedes Stromsensormodul 142 durch die entsprechende Rahmenaufnahme 144 in Erfassungsnähe der jeweiligen PhasenStromschiene 116, 118, 120 aufgenommen wird, in der entsprechenden Rahmenaufnahme 144 angeordnet. Das Pressen der Schablone 142 erfolgt in 1B entlang der z-Richtung.
  • Bei einer Ausführungsform werden die Stromsensormodule 142 durch Einführen der Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142 in entsprechende der ersten Öffnungen 154 in der Schablone 152 an der Schablone 152 fixiert. Während des Pressens der Schablone 152 auf den Rahmen 122 passieren die an den Substraten 102, 106, 110 befestigten Signalpins durch entsprechende der ersten Öffnungen 154 in der Schablone 152.
  • In 1B sind die Stromsensormodule 142 in diesem Stadium des Modulmontageprozesses noch nicht in Position an dem Rahmen 122 fixiert worden. Dies gestattet eine Bewegung der Stromsensormodule 142 während der Stromsensormodulplatzierung unter Verwendung der Schablone 152. Dementsprechend weisen die Stromsensormodule 142 während der Platzierung in den Rahmenaufnahmen 144 Bewegungsfreiheit auf, die eine minimale Pin-zu-Pin-Toleranz für das Leistungshalbleitermodul gestattet. Wenn die Stromsensormodule 142 während des Platzierens in den Rahmenaufnahmen 144 eine geringere oder keine Bewegungsfreiheit hätten, würde die Pin-zu-Pin-Toleranz gelockert werden müssen, um Platzierungstoleranzen Rechnung zu tragen. Wenn die Stromsensormodule 142 stattdessen umspritzte Module wären, müssten zusätzlichen Platzierungstoleranzen Rechnung getragen werden, wenn solche umspritzten Module in die Rahmenaufnahmen 144 eingeführt werden, was zu einer hohen mechanischen Belastung und daher Problemen im Laufe der Lebensdauer des Moduls, z. B. in Form von Rissen, Delaminierung usw., führen könnte. Die Stromsensormodule 142 ohne Umspritzung gewährleisten zusätzliche Freiheit und sind in der ordnungsgemäßen Position, die eine geneigte Position sein kann, fixiert, aber mit einer mechanischen Belastung von nahezu null.
  • In 1C ist jede Rahmenaufnahme 144 zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial 160 wie beispielsweise einem Duroplast, Silikonkautschukgel, Epoxidharz, Klebstoff usw. gefüllt. Die Rahmenaufnahmen 144 können, wie in C gezeigt ist, vor dem Einführen der Stromsensormodule 142 zumindest teilweise mit dem Vergussmaterial 160 gefüllt werden, oder nach dem Einführen der Stromsensormodule. Zum Beispiel kann jede Rahmenaufnahme 144 vor oder nach dem Anordnen der Stromsensormodule 142 in die jeweiligen Rahmenaufnahmen 144 zumindest teilweise mit einer isolierenden flüssigen Masse wie beispielsweise einem nicht ausgehärteten Silikonvergussmaterial, einem nicht ausgehärteten Epoxidmaterial usw. gefüllt werden.
  • In 1D ist jedes Stromsensormodul 142 mit dem Vergussmaterial 160 an dem Rahmen 122 fixiert. Das Vergussmaterial 160 kontaktiert sowohl den Rahmen 122 als auch den Stromsensor 146 jedes Stromsensormoduls 142 derart, dass zwischen dem Stromsensor 146 und der entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120 kein Luftspalt vorhanden ist. Die Art und Weise, auf die das Vergussmaterial 160 ausgehärtet/gehärtet wird, hängt von der verwendeten Materialart ab. Die zum Bilden des Vergussmaterials 266 verwendete isolierende flüssige Masse wird ausgehärtet, während die Schablone 152 in Position fixiert bleibt, wobei jedes Stromsensormodul 142 in der entsprechenden Rahmenaufnahme 144 angeordnet ist.
  • Das Vergussmaterial 160 füllt den Spalt zwischen dem Leistungsmodulrahmen 122 und jedem Stromsensor 146, wobei es die Stromsensoren 146 nach der Sensorplatzierung und ohne Luftspalt zwischen dem Rahmen 122 und dem Stromsensor 146 in Position hält. Das Vergussmaterial 160 kann auch die Leiterplatte 148 der Stromsensormodule 142 kontaktieren. Nach dem Härten/Aushärten des Vergussmaterial 160 sind die Stromsensormodule 142 in Position fixiert und bewegen sich nicht, wodurch die Sensoranzeigegenauigkeit und -leistung verbessert wird. Das Beseitigen jeglicher Luftspalte zwischen dem Stromsensor 146 und der entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120 gewährleistet insofern eine verbesserte Isolierung, als Füllen ohne einen Luftspalt bedeutet, dass es ein massives Material und keine Luftkriechstrecke ist. Massivmaterialstrecken können hinsichtlich dielektrischem Festigkeitsvermögen des Vergussmaterials 60 ausgelegt werden. Nach Fixieren der Stromsensormodule 142 in Position können die Stromsensoren 146 kalibriert werden, was vor dem Versand des Leistungshalbleitermoduls erfolgen kann.
  • In 1E wird die Schablone 152 nach Fixieren jedes Stromsensormoduls 142 an dem Rahmen 122 mit dem Vergussmaterial 160 von dem Leistungshalbeitermodul entfernt. Gemäß dieser Ausführungsform bildet die Schablone 152 keinen Teil des Endhalbleitermoduls. Somit kann das Material der Schablone 152 zum Überleben eines hohen Produktionsvolumens bei geringer Wartungsanforderung ausgewählt werden. Bei einer Ausführungsform ist die Schablone 152 aus Metall oder einer Metallisierung hergestellt. Die Schablone 152 kann zum Beispiel eine Stahlplatte sein.
  • Die 2A und 2B stellen eine andere Ausführungsform der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls bereit. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Schablone 152 nicht entfernt und bildet einen Deckel 200 des Leistungshalbleitermoduls.
  • 2A entspricht dem gleichen Zeitpunkt in dem Modulmontageprozess wie 1C. Die Schablone 142 wird hingegen jedoch nicht entfernt und bildet stattdessen einen Deckel 200 des Leistungshalbeitermoduls. Bei einer Ausführungsform umfasst die Schablone/der Deckel 152, 200 ein(en) elektrisch isolierendes/isolierenden Laminatmaterial oder Kunststoff. Zum Beispiel kann der Deckel 200 ein isolierendes PCB-Material ohne Metallbahnen, Vias usw. (z. B. nur ein FR4-Material) sein, so dass er die Funktion der ordnungsgemäßen Positionierung von Sensoren hat und dann als ein Deckel dient. Getrennt oder in Kombination kann die Schablone/der Deckel 152, 200 eine Umleitung elektrischer Verbindungen für die Signalpins 136, die an den in dem Rahmen 122 angeordneten Substraten 102, 106, 110 befestigt sind, bereitstellen. Zum Beispiel können beide Seiten der Schablone/des Deckels 152, 200 Metallbahnen (nicht gezeigt) zum Umleiten der elektrischen Verbindungen für die Signalpins 136 aufweisen.
  • 2A zeigt ferner eine Leiterplatte (PCB) 202, die in 2A entlang der z-Richtung vertikal auf die Modulanordnung ausgerichtet ist. Die PCB 202 weist erste Öffnungen 204 auf, die zur Aufnahme des freien Endes der an dem in dem Rahmen 122 des Leistungshalbleitermoduls angeordneten Substrat 102, 106, 110 befestigten Signalpins 136, 138, 140 und des freien Endes der Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142, wenn die Schablone 152 und der Rahmen 122 des Moduls zusammengepresst werden, bemessen sind. Die PCB 202 weist ferner zweite Öffnungen 206 auf, die zur Aufnahme der Ausrichtungsmerkmale 158 des Modulrahmens 122 in 2A entlang der z-Richtung bemessen sind.
  • In 2B ist die PCB 202 so an der Schablone/dem Deckel 152, 200 befestigt, dass die Anschlusspins 150 der Stromsensormodule 142 und die an jedem in dem Modulrahmen 122 angeordneten Substrat 102, 106, 110 befestigten Signalpins 136 durch jeweilige der ersten Öffnungen 154 in der Schablone/dem Deckel 152, 200 passieren und Presspassungsverbindungen mit den entsprechenden ersten Öffnungen 204 der PCB 202 bilden. Die dem Leistungshalbleitermodul abgekehrte Seite der PCB 202 kann zum Montieren zusätzlicher Komponenten wie beispielsweise einer Steuerung, passiver Komponenten wie beispielsweise Induktionsspulen und Kondensatoren und anderer Arten von elektrischen Komponenten konfiguriert sein.
  • 3 stellt eine Querschnittsansicht in einem Gebiet des Leistungshalbleitermoduls dar, in dem ein Stromsensormodul 142 in einer Aufnahme 144 des Modulrahmens 122 angeordnet ist. Wie hier zuvor erläutert wurde, ist das Stromsensormodul 142 in Erfassungsnähe einer Stromschiene 116 in der Rahmenaufnahme 144 angeordnet und weist einen an einer Leiterplatte 148 befestigten Stromsensor 146 auf. Die Leiterplatte 148 kann Metallbahnen 300 auf einer oder beiden Seiten zum Bereitstellen von elektrischen Verbindungen zwischen dem Stromsensor 146 und den Anschlusspins 150 der Stromsensormoduls 142 aufweisen.
  • Das Vergussmaterial 160 fixiert das Stromsensormodul 142 an dem Rahmen 122. Das Vergussmaterial 160 kontaktiert sowohl den Rahmen 122 als auch das Stromsensormodul 146, derart, dass zwischen dem Stromsensor 146 und der Stromschiene 116 kein Luftspalt vorhanden ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist ein Teil des Stromsensormoduls 142 in einer Öffnung 302 in der Stromschiene 116 positioniert. Das Vergussmaterial 160 füllt den Spalt zwischen der Stromschiene 116 und dem Stromsensormodul 142 in dem Gebiet der Stromschienenöffnung 302 derart, dass zwischen dem Stromsensor 146 und der Stromschiene 116 in dem Gebiet der Öffnung 302 kein Luftspalt vorhanden ist.
  • Weiter gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform kann die Rahmenaufnahme 144 ein erstes ausgespartes Gebiet 304, in dem die Stromschiene 116 angeordnet ist, und ein zweites ausgespartes Gebiet 306, das sich unter dem ersten ausgesparten Gebiet 304 befindet und schmaler ist (w2 < w1), aufweisen. Das Stromsensormodul 142 erstreckt sich durch die Öffnung 302 in der Stromschiene 116 und in das zweite (untere) ausgesparten Gebiet 306 des Modulrahmens 122.
  • Eine Ausrichtungsstruktur 308 kann in dem zweiten ausgesparten Gebiet 306 des Modulrahmens 122 positioniert sein. Die Ausrichtungsstruktur 308 nimmt die Leiterplatte 148 des Stromsensormoduls 142 auf und stellt einen lateralen Abstand L1, L2 zwischen dem Stromsensormodul 142 und der Stromschiene 116 in dem Gebiet der Stromschienenöffnung 302 ein.
  • Die 4A und 4B stellen eine Querschnittsansicht in einem Gebiet des Leistungshalbleitermoduls, in dem ein Stromsensormodul 142 in einer Aufnahme 144 des Rahmens 122 angeordnet ist, gemäß einer anderen Ausführungsform dar. 4A zeigt das Gebiet des Modulrahmens 122 mit der Sensoraufnahme 144 vor der Anordnung des Stromsensormoduls 142 in der Rahmenaufnahme 144.
  • Ähnlich wie die in 3 gezeigte Ausführungsform weist die Rahmenaufnahme 144 ein erstes ausgespartes Gebiet 304, in dem die Stromschiene 116 angeordnet ist, und ein zweites ausgespartes Gebiet 306, das sich unter dem ersten ausgesparten Gebiet 304 befindet und schmaler ist (w2 < w1) auf. Gemäß der in den 4A und 4B dargestellten Ausführungsform weist die Rahmenaufnahme 144 ferner ein drittes ausgespartes Gebiet 400 auf, das sich unter dem zweiten ausgesparten Gebiet 304 befindet und schmaler als dieses ist (w2 < w1).
  • In 4B, die das in der Aufnahme 144 angeordnete Stromsensormodul 142 zeigt, das mit dem Vergussmaterial 160 an dem Rahmen 122 fixiert ist, ist mindestens ein Teil des Stromsensors 146 in der Stromschienenöffnung 302 positioniert. Ferner erstreckt sich die Leiterplatte 148 des Stromsensormoduls 142 durch die Stromschienenöffnung 302 und kontaktiert den Boden 402 des dritten ausgesparten Gebiets 400 der Rahmenaufnahme 144.
  • Die 5A bis 5B stellen Teilquerschnittsansichten einer Ausführungsform der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls dar. Ähnlich wie die in den 1A bis 1E dargestellte Ausführungsform wird die zum Einführen der Stromsensormodule 142 in entsprechende Aufnahmen 144 des Modulrahmens 122 verwendete Schablone 152 entfernt, nachdem die Stromsensormodule 142 durch das Vergussmaterial 160 in Position fixiert worden sind, und bildet daher keinen Teil des Endleistungshalbleitermoduls.
  • In 5A sind die Stromsensormodule 142 an der Schablone 152 fixiert. Bei einer Ausführungsform werden die Stromsensormodule 142 durch Einführen der Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142 in entsprechende Öffnungen 154 in der Schablone 152 zum Bilden von beispielsweise Presspassungsverbindungen an der Schablone 152 fixiert.
  • In 5B wird die Schablone 152 mit den Stromsensormodulen 142 so auf den Modulrahmen 122 gepresst, dass das Stromsensormodul 142 durch eine entsprechende Rahmenaufnahme 144 in Erfassungsnähe einer Stromschiene 116, 118 aufgenommen wird. Wie in 5B gezeigt ist, sind die Stromsensormodule 142 zu diesem Zeitpunkt des Leistungsmodulmontageprozesses nicht in Position fixiert und können sich daher um eine normale (vertikale) Achse 500, wie durch die entsprechenden außeraxialen gestrichelten Linien 502 angezeigt, frei drehen/neigen. Die Drehung/Neigung der Stromsensormodule 142 gewährleistet Positionstoleranzausgleich. Dementsprechend werden die Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142 weitmöglichst ideal positioniert, obgleich ein oder mehrere der Stromsensormodule 142 eine gewisse dauerhafte, wenn auch leicht außeraxiale Neigung/Drehung 502 bezüglich der Normalachse 500 haben können.
  • In 5C ist jedes Stromsensormodul 142 mit dem Vergussmaterial 160 an dem Modulrahmen 122 fixiert. Das Vergussmaterial 160 kontaktiert den Rahmen 122 und jeden Stromsensor 146 derart, dass zwischen den Stromsensoren 146 und den entsprechenden Stromschienen 116, 118 kein Luftspalt vorhanden ist.
  • In 5D ist die Schablone 152 von dem Leistungshalbleitermodul entfernt. Die ersten Öffnungen 154 in der Schablone 122 können so bemessen sein, dass sie die Stromsensormodule 142 während des Fixierungsprozesses über die jeweiligen Anschlusspins 150 vorübergehend sichern, und nach dem Fixierungsprozess, wie beispielsweise mit einer ausreichenden, aber nicht zu starken Kraft, werden die Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142 von den ersten Öffnungen 154 entfernt. Zum Beispiel können die ersten Öffnungen 154 in der Schablone 152 für Presspassungsverbindungen mit den Stromsensormodulanschlusspins ausgelegt sein.
  • In 5E wird das Leistungshalbleitermodul durch ein Substrat 504 gestützt, und eine PCB 202 wird unter Verwendung einer Spannvorrichtung oder eines ähnlichen Platzierungswerkzeugs 506 auf das Leistungshalbleitermodul ausgerichtet. Die Spannvorrichtung/das Platzierungswerkzeug 506 weist Aufnahmen 508 auf, die zur Aufnahme der Anschlusspins 150 der Stromsensormodule 142 während der anschließenden Befestigung der PCB 202 an dem Leistungshalbleitermodul bemessen sind.
  • In 5F wird die PCB 202 über die Spannvorrichtung/das Platzierungswerkzeug 506 so zu dem Leistungshalbleitermodul gepresst, dass die Anschlusspins 150 jedes Stromsensormoduls 142 Presspassungsverbindungen mit der PCB 202 bilden. Nicht zu sehen sind in 5F die Signalpins 136, die an jedem Substrat 102, 106, 110 des Leistungsleiter Moduls befestigt sind. Die Signalpins 136 bilden ebenfalls Presspassungsverbindungen mit der PCB 202.
  • In 5G ist die PCB 202 an dem Leistungshalbleitermodul befestigt, und die Spannvorrichtung/das Platzierungswerkzeug 506 ist entfernt worden.
  • Die 6A bis 6D stellen Teilquerschnittsansichten einer anderen Ausführungsform der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls dar. Die in den 6A bis 6E dargestellte Ausführungsform ähnelt der in den 5A bis 5G dargestellten Ausführungsform. Die Schablone 152 bildet hingegen jedoch einen permanenten Teil des Endleistungshalbleitermoduls, zum Beispiel als Deckel 202.
  • 6A entspricht 5C, wobei jedes Stromsensormodul 142 mit Vergussmaterial 160 an dem Modulrahmen 122 fixiert ist. Das Vergussmaterial 160 kontaktiert den Rahmen 122 und jeden Stromsensor 146 derart, dass zwischen den Stromsensoren 146 und den entsprechenden Stromschienen 116, 118 kein Luftspalt vorhanden ist.
  • 6B entspricht 5E. Die Schablone 152 bleibt hingegen jedoch an den Anschlusspins 150 der Stromsensormodule 142 befestigt. Zum Beispiel kann die Schablone 152 einen Deckel 200 des Leistungshalbleitermoduls bilden.
  • 6C entspricht 5F. Die PCB 202 ist hingegen jedoch an der Schablone/dem Deckel 152, 200 befestigt, so dass die Anschlusspins 150 der Stromsensormodule 142 durch jeweilige Öffnungen 154 in der Schablone/dem Deckel 152, 200 passieren und Presspassungsverbindungen mit der PCB 202 bilden. Nicht zu sehen in 6C sind die Signalpins 136 an jedem Substrat 102, 106, 110 des Leistungshalbleitermoduls befestigt. Die Signalpins 136 passieren ebenfalls durch jeweilige erste Öffnungen 154 in der Schablone/dem Deckel 152, 200 und bilden Presspassungsverbindungen mit der PCB 202.
  • 6D entspricht insofern 5B, als die Spannvorrichtung/das Platzierungswerkzeug 506 entfernt worden ist, wobei die PCB 202 an dem Leistungshalbeitermodul befestigt bleibt, wobei aber die Schablone 152 als Deckel 200 verbleibt. Obgleich in 6D nicht gezeigt, kann zwischen dem Deckel 200 und der PCB 202 eine Abstandshalter vorgesehen sein, um einen bestimmten Abstand zu gewährleisten.
  • 7 stellt eine andere Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls dar. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Basisplatte 135, an der der Rahmen 122 befestigt ist, Öffnungen 600 aufweisen, die vertikal auf die Stromsensoren 146 ausgerichtet sind. Wie hier zuvor erläutert wurde, kann die Basisplatte 135 geerdet sein und daher ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen. Ein Metallmaterial kann die durch die Stromsensoren 146 erfassten Magnetfelder verzerren. Durch Bilden der Öffnungen 600 in der Basisplatte 135, die vertikal auf die Stromsensoren 146 ausgerichtet sind, steht weniger Material zum Verzerren der Magnetfelder zur Verfügung. Die Öffnungen 600 in der Basisplatte 135 können eine beliebige Form aufweisen, wie beispielsweise runde Löcher, rechteckige Ausschnitte usw., aber nicht darauf beschränkt.
  • Das Basisplattendesign mit den Öffnungen 600 kann besonders günstig für höhere Betriebsfrequenzen sein. Des Weiteren kann die Basisplatte 135 möglicherweise keinen elektrischen oder mechanischen Kontakt mit den Stromsensoren 146 haben. Zum Beispiel können die Aufnahmen 144 in dem Modulrahmen 122, die die Stromsensoren 106 und 40 aufnehmen, über der Basisplatte 135 geschlossen sein, so dass das Vergussmaterial 160 nicht aus den Rahmenaufnahmen 144 in die äußere Umgebung leckt. Ferner vermeidet der geschlossene Bereich 602 des Modulrahmens 122 ein Luftstrecken-/Kriechproblem zwischen der Grundplatte 135 und den PhasenStromschienen.
  • Wie hier zuvor beschrieben wurde, können die hier beschriebenen Stromsensoren 146 als ein Differenzialhallsensor implementiert sein. Jede PhasenStromschiene 116, 118, 120 gibt einen Strom ‚U‘, ‚W‘ usw. ein oder aus. Der Strom induziert ein Magnetfeld um die entsprechenden PhasenStromschienen. Jeder Stromsensor 146 erfasst das entsprechende Magnetfeld und erzeugt ein Signal, das zu dem Betrag des in der jeweiligen PhasenStromschiene 116, 118, 120 fließenden Stroms proportional ist.
  • 8 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die Stromsensoren 146 als Differenzialhallsensoren implementiert sind. Gemäß dieser Ausführungsform kann jeder Stromsensor 146 einen ersten Hallsensor 700, der über der entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120 positioniert ist, und einen zweiten Hallsensor 702, der unter der entsprechenden PhasenStromschiene 116, 118, 120 positioniert ist, aufweisen. Die Differenz zwischen der Ausgabe der beiden Hallsensoren 700, 702 ist proportional zu dem Betrag des in der jeweiligen PhasenStromschiene 116, 118, 120 fließenden Stroms. Der Differenzialhallansatz unterdrückt magnetische Streufelder aus der Umgebung und andere Magnetfelder von benachbarten PhasenStromschienen oder anderen Lastanschlüssen. Der Differenzialhallansatz verwendet möglicherweise keinen Kern (Feldkonzentrator), d. h., die Stromsensoren 146 können kernlos sein.
  • Wie hier zuvor beschrieben wurde, kann Leistungshalbleitermodul zum Beispiel zur Verwendung als ein DC-AC-Wechselrichter, ein DC-DC-Wandler, ein AC-DC-Wandler, ein DC-AC-Wandler, ein AC-AC-Wandler oder der gleichen ausgelegt sein.
  • 9 stellt ein Schaltschema einer Motorsteuerschleife für ein Leistungshalbleitermodul der hier beschriebenen Art dar, das ein Stromsensormodul 142 für jede Phase des Systems aufweist. Jedes Stromsensormodul 142 ist, wie hier beschrieben, an dem Rahmen 122 des Leistungshalbleitermoduls fixiert.
  • Die Motorsteuerschleife 800 kann ein Leistungshalbeitermodul 802 der hier beschriebenen Art, ein Stromsensormodul 142 für jede Phase des Systems und eine Steuertafel 804, die der hier besprochenen PCB 202 entsprechen kann, aufweisen. Wie gezeigt ist, kann die Motorsteuerschleife 800 ferner mit einem Drehstrommotor 806 gekoppelt sein, der drei Phasen U, V und W aufweist. Obgleich das Beispiel von 9 das Leistungshalbleitermodul 802, das als ein Drehstromgenerator implementiert ist, der zur Bereitstellung von Drehstromleistung durch Zuführen von Drehströmen zum Antrieb des Motors 806 konfiguriert ist, zeigt, sind auch andere Implementierungen möglich.
  • In diesem Beispiel ist das Leistungshalbleitermodul 802 mit einer Leistungsversorgung 808 (z. B. einer Batterie) gekoppelt und dazu konfiguriert, einen Strom zu einer Ausgangsstromschiene für jede Phase des Motors 806 zu regeln und zuzuführen. Somit weist das Leistungshalbeitermodul 802 drei Ausgangsstromschienen auf. Bei einigen Implementierungen kann das Leistungshalbleitermodul 802 eine getrennte Treiberschaltung für jeden Ausgang aufweisen, wobei jede Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der einer entsprechenden Stromschiene zugeführt wird. In diesem Beispiel kann das Leistungshalbleitermodul 802 drei Treiberschaltungen aufweisen.
  • Zur Veranschaulichung ist jede Stromschiene als ein Strompfad 810 (z. B. sind in 9 die Strompfade 810u, 810v und 810b gezeigt) dargestellt, und jeder Strompfad 810 ist zwischen einem Ausgang des Leistungshalbleitermoduls 802 und einer entsprechenden Phase des Motors 806 gekoppelt. Die Ausgänge des Leistungshalbeitermoduls 802 können den in den vorherigen Figuren gezeigten PhasenStromschienen entsprechen.
  • Wie in 9 gezeigt ist, sind die Stromsensormodule 142 (z. B. sind in 9 die Stromsensormodule 142u, 142v und 142b gezeigt) mit jeweiligen Strompfaden 810 gekoppelt und führen der Steuertafel 804 entsprechende erfasste Stromsignale (z. B. sind in 9 erfasste Ströme Iu, Iv und Iw gezeigt) zur Analyse/Verarbeitung zu. Gemäß beliebigen der hier beschriebenen Montageprozesse wird jedes Stromsensormodul 142 während der Montage des Leistungshalbeitermoduls 802 in den Rahmen 122 des Leistungshalbeitermoduls 802 eingeführt.
  • Obgleich die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist, zeigen die folgenden nummerierten Beispiele einen oder mehrere Aspekte der Offenbarung auf.
  • Beispiel 1. Ein Leistungshalbeitermodul, umfassend: einen Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst; ein in dem Rahmen angeordnetes erstes Substrat; mehrere Leistungshalbleiter-Dies, die an dem ersten Substrat befestigt sind; mehrere Signalpins, die an dem ersten Substrat befestigt sind und mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; eine Stromschiene, die sich von dem ersten Substrat durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; ein in einer Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene angeordnetes Stromsensormodul, wobei das Stromsensormodul einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und ein Vergussmaterial, das das Stromsensormodul so an dem Rahmen fixiert, dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Beispiel 2. Das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 1, wobei ein Teil des Stromsensormoduls in einer Öffnung in der Stromschiene positioniert ist, und wobei das Vergussmaterial einen Spalt zwischen der Stromschiene und dem Stromsensormodul in einem Gebiet der Öffnung füllt, so dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene in dem Gebiet der Öffnung kein Luftspalt vorhanden ist.
  • Beispiel 3. Das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 1 oder 2, wobei die Aufnahme ein erstes ausgespartes Gebiet, in dem die Stromschiene angeordnet ist, und ein zweites ausgespartes Gebiet unter dem und schmaler als das erste(n) ausgesparte(n) Gebiet umfasst, und wobei sich das Stromsensormodul durch eine Öffnung in der Stromschiene und in das ausgesparte Gebiet des Rahmens erstreckt.
  • Beispiel 4. Das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 3, wobei eine Ausrichtungsstruktur in dem zweiten ausgesparten Gebiet des Rahmens positioniert ist, und wobei die Ausrichtungsstruktur die Leiterplatte des Stromsensormoduls aufnimmt und einen lateralen Abstand zwischen dem Stromsensormodul und der Stromschiene in einem Gebiet der Öffnung festlegt.
  • Beispiel 5. Das Leistungshalbleitermodul nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei die Aufnahme ein erstes ausgespartes Gebiet, in dem die Stromschiene angeordnet ist, ein zweites ausgespartes Gebiet unter dem und schmaler als das erste(n) ausgesparte(n) Gebiet und ein drittes ausgespartes Gebiet unter dem und schmaler als das zweite(n) ausgesparte(n) Gebiet umfasst, und wobei mindestens ein Teil des Stromsensors in einer Öffnung in der Stromschiene positioniert ist, und wobei sich die Leiterplatte des Stromsensormoduls durch die Öffnung in der Stromschiene erstreckt und einen Boden des dritten ausgesparten Gebiets der Aufnahme kontaktiert.
  • Beispiel 6. Das Leistungshalbleitermodul nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die Leistungshalbleiter-Dies einen Mehrphasen-Wechselrichter bilden, wobei sich eine Stromschiene für jede Phase des Mehrphasen-Wechselrichters durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt, und wobei ein Stromsensormodul für jede Stromschiene in Erfassungsnähe der Stromschiene in einer Aufnahme des Rahmens angeordnet ist und ohne einen Luftspalt zwischen dem Stromsensormodul und der Stromschiene durch das Vergussmaterial an dem Rahmen fixiert ist.
  • Beispiel 7. Das Leistungshalbleitermodul nach einem der Beispiele 1 bis 6, wobei der Stromsensor ein Differenzialhallsensor ist, der einen über der Stromschiene positionierten ersten Hallsensor und einen unter der Stromschiene positionierten zweiten Hallsensor umfasst.
  • Beispiel 8. Das Leistungshalbleitermodul nach einem der Beispiele 1 bis 7, wobei der Stromsensor ein kernloser Stromsensor ist.
  • Beispiel 9. Das Leistungshalbleitermodul nach einem der Beispiele 1 bis 8, ferner umfassend eine Metallbasisplatte, an der der Rahmen befestigt ist, wobei die Metallbasisplatte eine Öffnung aufweist, die vertikal auf den Stromsensor ausgerichtet ist.
  • Beispiel 10. Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies an einem ersten Substrat; Befestigen mehrerer Signalpins an dem ersten Substrat, und die mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; Anordnen des ersten Substrats in einem Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene von dem ersten Substrat durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; Anordnen eines Stromsensormoduls in einer Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene, wobei das Stromsensormodul einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und Fixieren des Stromsensormoduls an dem Rahmen mit einem Vergussmaterial, derart, dass zwischen dem Stromsensor und der Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Beispiel 11. Das Verfahren nach Beispiel 10, wobei das Anordnen des Stromsensormoduls in der Aufnahme des Rahmens in Erfassungsnähe der Stromschiene Folgendes umfasst: Fixieren des Stromsensormoduls an einer Schablone; und Pressen der Schablone mit dem Stromsensormodul auf den Rahmen, derart, dass das Stromsensormodul in Erfassungsnähe der Stromschiene durch die Aufnahme aufgenommen wird.
  • Beispiel 12. Das Verfahren nach Beispiel 11, ferner umfassend: nach dem Fixieren des Stromsensormoduls an dem Rahmen mit dem Vergussmaterial Entfernen der Schablone von dem Leistungshalbleitermodul.
  • Beispiel 13. Das Verfahren nach Beispiel 12, wobei die Schablone aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
  • Beispiel 14. Das Verfahren nach Beispiel 11, wobei die Schablone nicht entfernt wird und einen Deckel des Leistungshalbleitermoduls bildet.
  • Beispiel 15. Das Verfahren nach Beispiel 14, wobei die Schablone ein(en) elektrisch isolierendes/isolierenden Laminatmaterial oder Kunststoff umfasst.
  • Beispiel 16. Das Verfahren nach Beispiel 14 oder 15, ferner umfassend: Befestigen einer Leiterplatte an der Schablone, derart, dass die Anschlusspins des Stromsensormoduls und die an dem ersten Substrat befestigten Signalpins durch Öffnungen in der Schablone passieren und Presspassungsverbindungen mit der Leiterplatte bilden.
  • Beispiel 17. Das Verfahren nach einem der Beispiele 14 bis 16, wobei die Schablone eine Umleitung von elektrischen Verbindungen für die an dem ersten Substrat befestigten Signalpins bereitstellt.
  • Beispiel 18. Das Verfahren nach einem der Beispiele 11 bis 17, wobei das Fixieren des Stromsensormoduls an der Schablone Folgendes umfasst: Einführen von Anschlusspins des Stromsensormoduls in Öffnungen der Schablone.
  • Beispiel 19. Das Verfahren nach einem der Beispiele 11 bis 18, wobei während des Pressens der Schablone auf den Rahmen die an dem ersten Substrat befestigten Signalpins durch Öffnungen in der Schablone passieren.
  • Beispiel 20. Das Verfahren nach einem der Beispiele 11 bis 19, wobei das Fixieren des Stromsensormoduls an dem Rahmen mit dem Vergussmaterial Folgendes umfasst: zumindest teilweises Füllen der Aufnahme des Rahmens mit einer isolierenden flüssigen Masse vor oder nach dem Anordnen des Stromsensormoduls in der Aufnahme; und Aushärten der isolierenden flüssigen Masse, während die Schablone mit dem in der Aufnahme angeordneten Stromsensormodul in Position fixiert bleibt.
  • Beispiel 21. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbeitermoduls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies an einem oder mehreren Substraten, wobei die Leistungshalbleiter-Dies einen Multiphasen-Wechselrichter bilden; Befestigen mehrerer Signalpins an dem einen oder den mehreren Substraten, und die mit den Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sind; Anordnen des einen oder der mehreren Substrate in einem Rahmen, der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene für jede Phase des Mehrphasen-Wechselrichters durch eine Seitenfläche des Rahmens erstreckt; Anordnen mehrerer Stromsensormodule in Aufnahmen des Rahmens, wobei sich jedes Stromsensormodul in Erfassungsnähe einer der Stromschienen befindet und einen an einer Leiterplatte befestigten Stromsensor umfasst; und Fixieren der Stromsensormodule an dem Rahmen mit einem Vergussmaterial, derart, dass zwischen dem Stromsensor und der entsprechenden Stromschiene kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial den Rahmen und den Stromsensor kontaktiert.
  • Beispiel 22. Das Verfahren nach Beispiel 21, wobei das Anordnen der Stromsensormodule in den Aufnahmen des Rahmens Folgendes umfasst: Fixieren der Stromsensormodule an einer Schablone; und Pressen der Schablone mit dem Stromsensormodul auf den Rahmen, derart, dass jedes Stromsensormodul in Erfassungsnähe der Stromschiene durch eine der Aufnahmen aufgenommen wird.
  • Beispiel 23 Das Verfahren nach Beispiel 22, ferner umfassend: nach dem Fixieren der Stromsensormodule an dem Rahmen mit dem Vergussmaterial Entfernen der Schablone von dem Leistungshalbleitermodul.
  • Beispiel 24 Das Verfahren nach Beispiel 22, ferner umfassend: Befestigen der Leiterplatte an der Schablone, derart, dass die Anschlusspins der Stromsensormodule und die an einem oder mehreren Substraten befestigten Signalpins durch Öffnungen in der Schablone passieren und Presspassungsverbindungen mit der Leiterplatte bilden.
  • Beispiel 25. Das Verfahren nach einem der Beispiele 22 bis 24, wobei das Fixieren der Stromsensormodule dem Rahmen mit dem Vergussmaterial Folgendes umfasst: zumindest teilweises Füllen der Aufnahme des Rahmens mit einer isolierenden flüssigen Masse vor oder nach dem Anordnen der Stromsensormodule in der Aufnahme; und Aushärten der isolierenden flüssigen Masse, während die Schablone mit dem in der Aufnahme angeordneten Stromsensor in Position fixiert bleibt.
  • Begriffe wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und dergleichen werden zum Beschreiben verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. verwendet und sollen auch nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassen“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale angeben, aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein/e/r/es“ und „der/die/das“ sollen den Plural sowie den Singular einschließen, es sei denn der Kontext gibt deutlich etwas Anderes an.
  • Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, es sei denn, es ist speziell etwas Anderes angegeben.
  • Obgleich hier bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass die gezeigten und beschriebenen bestimmten Ausführungsformen durch verschiedenste alternative und/oder äquivalente Implementierungen ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der bestimmten Ausführungsformen, die hier besprochen werden, abdecken. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt werden.

Claims (18)

  1. Leistungshalbeitermodul, umfassend: einen Rahmen (122), der ein elektrisch isolierendes Material umfasst; ein in dem Rahmen (122) angeordnetes erstes Substrat (102, 106, 110); mehrere Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108), die an dem ersten Substrat (102, 106, 110) befestigt sind; mehrere Signalpins (136, 138, 140), die an dem ersten Substrat (102, 106, 110) befestigt sind und mit den Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) elektrisch verbunden sind; eine Stromschiene (116, 118, 120), die sich von dem Substrat (102, 106, 110) durch eine Seitenfläche des Rahmens (122) erstreckt; ein in einer Aufnahme (144) des Rahmens (122) in Erfassungsnähe der Stromschiene (116, 118, 120) angeordnetes Stromsensormodul (142), wobei das Stromsensormodul (142) einen an einer Leiterplatte (148) befestigten Stromsensor (146) umfasst; und ein Vergussmaterial (160), das das Stromsensormodul (142) so an dem Rahmen (122) fixiert, dass zwischen dem Stromsensor (146) und der Stromschiene (116, 118, 120) kein Luftspalt vorhanden ist; wobei das Vergussmaterial (160) den Rahmen (122) und den Stromsensor (146) kontaktiert.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Stromsensormoduls (142) in einer Öffnung (302) in der Stromschiene (116, 118, 120) positioniert ist, und wobei das Vergussmaterial (160) einen Spalt zwischen der Stromschiene (116, 118, 120) und dem Stromsensormodul (142) in einem Gebiet der Öffnung (302) füllt, so dass zwischen dem Stromsensor (146) und der Stromschiene (116, 118, 120) in dem Gebiet der Öffnung (302) kein Luftspalt vorhanden ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufnahme (144) ein erstes ausgespartes Gebiet, in dem die Stromschiene (116, 118, 120) angeordnet ist, und ein zweites ausgespartes Gebiet unter dem und schmaler als das erste(n) ausgesparte(n) Gebiet umfasst, und wobei sich das Stromsensormodul (142) durch eine Öffnung (302) in der Stromschiene (116, 118, 120) und in das ausgesparte Gebiet des Rahmens (122) erstreckt.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, wobei eine Ausrichtungsstruktur (308) in dem zweiten ausgesparten Gebiet (106) des Rahmens (122) positioniert ist, und wobei die Ausrichtungsstruktur (308) die Leiterplatte (148) des Stromsensormoduls (142) aufnimmt und einen lateralen Abstand zwischen dem Stromsensormodul (142) und der Stromschiene (116, 118, 120) in einem Gebiet der Öffnung (302) festlegt.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufnahme (144) ein erstes ausgespartes Gebiet (304), in dem die Stromschiene (116, 118, 120) angeordnet ist, ein zweites ausgespartes Gebiet (306) unter dem und schmaler als das erste(n) ausgesparte(n) Gebiet (104) und ein drittes ausgespartes Gebiet (400) unter dem und schmaler als das zweite(n) ausgesparte(n) Gebiet (106) umfasst, wobei mindestens ein Teil des Stromsensors (146) in einer Öffnung (302) in der Stromschiene (116, 118, 120) positioniert ist, und wobei sich die Leiterplatte (148) des Stromsensormoduls (142s durch die Öffnung (302) in der Stromschiene (116, 118, 120) erstreckt und einen Boden (102) des dritten ausgesparten Gebiets (400) der Aufnahme (144) kontaktiert.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stromsensor (146) ein Differenzialhallsensor ist, der einen über der Stromschiene (116, 118, 120) positionierten ersten Hallsensor (700) und einen unter der Stromschiene (116, 118, 120) positionierten zweiten Hallsensor (702) umfasst, insbesondere wobei der Stromsensor (146) ein kernloser Stromsensor ist.
  7. Leistungshalbeitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Metallbasisplatte (135), an der der Rahmen (122) befestigt ist, wobei die Metallbasisplatte eine Öffnung (600) aufweist, die vertikal auf den Stromsensor (146) ausgerichtet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) an einem ersten Substrat (102, 106, 110); Befestigen mehrerer Signalpins (136, 138, 140) an dem Substrat (102, 106, 110), und die mit den Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) elektrisch verbunden sind; Anordnen des ersten Substrats (102, 106, 110) in einem Rahmen (122), der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene (116, 118, 120) von dem Substrat (102, 106, 110) durch eine Seitenfläche des Rahmens (122) erstreckt; Anordnen eines Stromsensormoduls (142) in einer Aufnahme (144) des Rahmens (122) in Erfassungsnähe der Stromschiene (116, 118, 120), wobei das Stromsensormodul (142) einen an einer Leiterplatte (148) befestigten Stromsensor (146) umfasst; und Fixieren des Stromsensormoduls (142) an dem Rahmen (122) mit einem Vergussmaterial (160), derart, dass zwischen dem Stromsensor (146) und der Stromschiene (116, 118, 120) kein Luftspalt vorhanden ist, wobei das Vergussmaterial (160) den Rahmen (122) und den Stromsensor (146) kontaktiert.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anordnen des Stromsensormoduls (142) in der Aufnahme (144) des Rahmens (122) in Erfassungsnähe der Stromschiene (116, 118, 120) Folgendes umfasst: Fixieren des Stromsensormoduls (142) an einer Schablone (152; und Pressen der Schablone (152) mit dem Stromsensormodul (142) auf den Rahmen (122), derart, dass das Stromsensormodul (142) in Erfassungsnähe der Stromschiene (116, 118, 120) durch die Aufnahme (144) aufgenommen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: nach dem Fixieren des Stromsensormoduls (142) an dem Rahmen (122) mit dem Vergussmaterial (160) Entfernen der Schablone (152) von dem Leistungshalbleitermodul.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 der 10, wobei die Schablone (152) aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schablone (152) nicht entfernt wird und einen Deckel (200) des Leistungshalbleitermoduls bildet.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Befestigen einer Leiterplatte (202) an der Schablone (152), derart, dass die Anschlusspins (150) des Stromsensormoduls (142) und die an dem Substrat (102, 106, 110) befestigten Signalpins (136, 138, 140) durch Öffnungen (154) in der Schablone (152) passieren und Presspassungsverbindungen mit der Leiterplatte (202) bilden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schablone (152) eine Umleitung von elektrischen Verbindungen für die an dem Substrat (102, 106, 110) befestigten Signalpins (136, 138, 140) bereitstellt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Fixieren des Stromsensormoduls (142) an der Schablone (152) Folgendes umfasst: Einführen von Anschlusspins (150) des Stromsensormoduls (142) in Öffnungen (154) der Schablone (152).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei während des Pressens der Schablone (152) auf den Rahmen (122) die an dem Substrat (102, 106, 110) befestigten Signalpins (136, 138, 140) durch Öffnungen (154) in der Schablone (152) passieren.
  17. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das Fixieren des Stromsensormoduls (142) an dem Rahmen (122) mit dem Vergussmaterial (160) Folgendes umfasst: zumindest teilweises Füllen der Aufnahme (144) des Rahmens (122) mit einer isolierenden flüssigen Masse vor oder nach dem Anordnen des Stromsensormoduls (142) in der Aufnahme (144); und Aushärten der isolierenden flüssigen Masse, während die Schablone (152) mit dem in der Aufnahme (144) angeordneten Stromsensormodul (142) in Position fixiert bleibt.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbeitermoduls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Befestigen mehrerer Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) an einem oder mehreren Substraten (102, 106, 110), wobei die Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) einen Multiphasen-Wechselrichter bilden; Befestigen mehrerer Signalpins (136, 138, 140) an dem einen oder den mehreren Substraten (102, 106, 110), und die mit den Leistungshalbleiter-Dies (100, 104, 108) elektrisch verbunden sind; Anordnen des einen oder der mehreren Substrate (102, 106, 110) in einem Rahmen (122), der ein elektrisch isolierendes Material umfasst, und derart, dass sich eine Stromschiene (116, 118, 120) für jede Phase des Mehrphasen-Wechselrichters durch eine Seitenfläche (122a) des Rahmens (122) erstreckt; Anordnen mehrerer Stromsensormodule (142) in Aufnahmen (144) des Rahmens (122), wobei sich jedes Stromsensormodul (142) in Erfassungsnähe einer der Stromschienen (116, 118, 120) befindet und einen an einer Leiterplatte (148) befestigten Stromsensor (146) umfasst; und Fixieren der Stromsensormodule (142) an dem Rahmen (122) mit einem Vergussmaterial (160), derart, dass zwischen dem Stromsensor (146) und der entsprechenden Stromschiene (116, 118, 120) kein Luftspalt vorhanden ist; wobei das Vergussmaterial (160) den Rahmen (122) und den Stromsensor (146) kontaktiert.
DE102022000224.8A 2021-02-17 2022-01-22 Leistungshalbleitermodule mit einem mit vergussmaterial fixierten stromsensormodul Pending DE102022000224A1 (de)

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US17/177,395 2021-02-17
US17/177,395 US11502064B2 (en) 2021-02-17 2021-02-17 Power semiconductor module having a current sensor module fixed with potting material

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