DE102022206266A1 - Leistungsmodul und Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem ersten Schaltungsträger (10), welcher eine elektrisch isolierende Schicht (12) aufweist, wobei auf deren Oberseite mindestens eine Leiterstruktur (16) und auf deren Unterseite mindestens eine thermisch leitende Metallstruktur (7) ausgebildet ist, wobei mindestens ein Halbleiterschalter auf der mindestens einen Leiterstruktur (16) angeordnet ist, wobei ein zweiter Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters und/oder die mindestens eine Leiterstruktur (16) elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung (18) verbunden ist, wobei mindestens ein Entwärmungselement (50) mit einer internen thermischen Kontaktfläche (54.1) thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur (14) und mit einer externen thermischen Kontaktfläche (56.1) thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) kontaktiert ist und einen Wärmeableitpfad ausbildet, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) in mindestens eine Metallstruktur (7) auf einer Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht (12) des ersten Schaltungsträgers (10) bewirkbar ist, wobei das Entwärmungselement (50) mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht (52) aufweist, welche eine Potentialtrennung bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, insbesondere zur Bereitstellung eines Phasenstroms für einen Elektromotor. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls.
  • Aus der DE 10 2014 219 998 B4 ist ein Leistungsmodul, insbesondere zur Bereitstellung von einem Phasenstrom für einen Elektromotor bekannt. Das Leistungsmodul umfasst einen Schaltungsträger mit einer Oberfläche, zumindest zwei erste Kontaktflächen auf der Oberfläche und zumindest zwei erste Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist auf jeweils einer der ersten Kontaktflächen unmittelbar angeordnet und über seine Bodenkontaktfläche unmittelbar mit der jeweiligen ersten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Zudem umfasst das Leistungsmodul eine zweite Kontaktfläche auf der Oberfläche und zumindest zwei zweite Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren sind auf der zweiten Kontaktfläche unmittelbar angeordnet und über ihre jeweiligen Bodenkontaktflächen unmittelbar mit der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Des Weiteren umfasst das Leistungsmodul zumindest zwei dritte Kontaktflächen auf der Oberfläche, wobei die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche aufweisen und jeweils ein zweiter Leistungstransistor der zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren über seine weitere Kontaktfläche mit jeweils einer der zumindest zwei dritten Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden ist. Die zumindest zwei ersten Kontaktflächen und die zumindest zwei dritten Kontaktflächen sind in einer Längsrichtung des Leistungsmoduls alternierend nacheinander angeordnet und die zweite Kontaktfläche ist neben den zumindest zwei ersten Kontaktflächen und den zumindest zwei dritten Kontaktflächen angeordnet, wobei die zweite Kontaktfläche zumindest zwei Kontaktbereiche aufweist, wobei sich jeweils einer der zumindest zwei Kontaktbereiche neben jeweils einem der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren befindet. Die zumindest zwei ersten Leistungstransistoren weisen auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche auf und jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist über seine weitere Kontaktfläche mit dem jeweils einen sich neben ihm befindenden Kontaktbereich der zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Hierbei sind die zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche und die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren in der Längsrichtung alternierend nacheinander angeordnet.
  • Aus der EP 2 418 925 B1 ist eine elektrische Kontaktierung zwischen einer mindestens einer Leiterbahn aufweisenden Flexfolie und mindestens einem elektrischen Kontakt eines Sensors oder eines Steuergeräts bekannt. Hierbei ist ein Endabschnitt der Flexfolie an einer Berührstelle durch Wärmeeintrag elektrisch kontaktiert, wobei der Endabschnitt der Flexfolie an der Berührstelle an vorstehend ausgebildete elektrische Kontakte angestellt ist. Der Endabschnitt der Flexfolie ist als Wellenschlag insbesondere als Umlenkung ausgebildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Leistungsmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das mindestens eine Entwärmungselement ein zusätzlicher Wärmeableitpfad zwischen mindestens einer externen Kontaktvorrichtung und mindestens einen Leiterstruktur mit Potentialtrennung zur Verfügung steht. Dadurch ist eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung über das mindestens eine Entwärmungselement und einen ersten Schaltungsträger in mindestens eine auf der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht des ersten Schaltungsträgers angeordnete Metallstruktur möglich. Durch mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht des Entwärmungselements wird die Potentialtrennung bewirkt, so dass das mindestens eine Entwärmungselement zur Ausbildung des Wärmeableitpfads auch zwischen verschiedenen Potentialen angeordnet werden kann. Durch das mindestens eine Entwärmungselement kann mit der gleichen Anzahl von Halbleiterschaltern eine höhere Leistung geschaltet werden.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Leistungsmodul mit einem ersten Schaltungsträger zur Verfügung, welcher eine elektrisch isolierende Schicht aufweist. Auf einer Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht ist mindestens eine Leiterstruktur und auf einer Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht ist mindestens eine thermisch leitende Metallstruktur ausgebildet, welche mit einer Kühlvorrichtung thermisch koppelbar ist. Mindestens ein Halbleiterschalter ist auf der mindestens einen Leiterstruktur angeordnet. Ein erster Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters ist elektrisch mit der mindestens einen Leiterstruktur verbunden. Ein zweiter Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters und/oder die mindestens eine Leiterstruktur ist elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung verbunden, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist. Hierbei ist mindestens ein Entwärmungselement mit einer internen thermischen Kontaktfläche thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur und mit einer externen thermischen Kontaktfläche thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung kontaktiert und bildet einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung und der mindestens einen Leiterstruktur aus, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung in die mindestens einen Metallstruktur auf der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht des ersten Schaltungsträgers bewirkbar ist. Das Entwärmungselement weist mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht auf, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  • Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls vorgeschlagen. Hierbei werden ein erster Schaltungsträger, mindestens ein Halbleiterschalter und mindestens ein Entwärmungselement bereitgestellt. Ein erster Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters wird elektrisch mit mindestens einer Leiterstruktur des ersten Schaltungsträgers verbunden. Ein zweiter Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters und/oder die mindestens eine Leiterstruktur werden elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung verbunden, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist. Eine interne thermische Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements wird thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur verbunden, und eine externe thermische Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements wird thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung kontaktiert, so dass das mindestens eine Entwärmungselement einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung und der mindestens einen Leiterstrukturausbildet, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung in mindestens einen Metallstruktur auf einer Unterseite einer elektrisch isolierenden Schicht des ersten Schaltungsträgers bewirkbar ist. Hierbei weist das Entwärmungselement mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht auf, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  • Der erste Schaltungsträger kann beispielsweise als DBC-Substrat (DBC: Direct bonded copper) oder als AMB-Substrat (AMB: Active metal bonding) ausgeführt sein. Die Halbleiterschalter können beispielsweise als Feldeffekttransistoren ausgeführt werden, so dass Drainanschlüsse der Halbleiterschalter jeweils einem ersten Leistungsanschluss entsprechen können. Sourceanschlüsse der Halbleiterschalter können zweiten Leistungsanschlüssen entsprechen. Bei der Verwendung von Bipolartransistoren als Halbleiterschalter können Kollektoranschlüsse den ersten Leistungsanschlüssen und Emitteranschlüsse den zweiten Leistungsanschlüssen der Halbleiterschalter entsprechen. Unter einem Steueranschluss kann beispielsweise ein Gateanschluss oder ein Kelvin-Sourceanschluss eines Feldeffekttransistors oder ein Basisanschluss eines Bipolartransistors verstanden werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Leistungsmoduls und des im unabhängigen Patentanspruch 17 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass das mindestens eine Entwärmungselement beispielsweise als DBC-Substrat oder als AMB-Substrat ausgeführt sein kann, und eine zwischen zwei Metallschichten angeordnete Keramikschicht als elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht umfassen kann. Hierbei kann eine erste Metallschicht die interne thermische Kontaktfläche des Entwärmungselements ausbilden. Eine zweite Metallschicht kann die externe thermische Kontaktfläche des Entwärmungselements ausbilden und direkt oder über einen Abstandselement thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung gekoppelt sein. Durch die Ausführung des Entwärmungselement als DBC-Substrat oder als AMB-Substrat kann auf bekannte Komponenten zurückgegriffen werden, welche in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden können.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann mindestens ein erster Halbleiterschalter auf mindestens einer ersten Leiterstruktur und mindestens ein zweiter Halbleiterschalter auf mindestens einer zweiten Leiterstruktur angeordnet sein. Durch die Anordnung von zwei Leiterstrukturen auf elektrischen isolierenden Schicht können verschiedene Schaltungen, wie beispielsweise eine Halbbrücke einfach umgesetzt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann der zweite Leistungsanschluss des mindestens einen ersten Halbleiterschalters oder ein Abstandselement oder ein erster Kontaktbügel, welche elektrisch mit dem zweiten Leistungsanschluss des mindestens einen ersten Halbleiterschalters elektrisch verbunden sind, mindestens eine erste externe Kontaktfläche ausbilden, welche über eine erste externe Kontaktvorrichtung elektrisch niederinduktiv mit einem Lastanschluss verbindbar ist. Zudem kann der zweite Leistungsanschluss des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters oder ein Abstandselement oder ein zweiter Kontaktbügel, welche elektrisch mit dem zweiten Leistungsanschluss des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters elektrisch verbunden sind, mindestens eine zweite externe Kontaktfläche ausbilden, welche über eine zweite externe Kontaktvorrichtung elektrisch niederinduktiv mit einem ersten Versorgungsanschluss verbindbar ist. Bildet der zweite Leistungsanschluss des mindestens einen Halbleiterschalters direkt oder ein jeweils mit einem zweiten Leistungsanschluss verbundenes Abstandselemente die korrespondierende erste oder zweite externe Kontaktfläche aus, dann werden bei der Anordnung von mehreren Halbleitern auf der jeweiligen Leiterstruktur mehrere externe Kontaktflächen ausgebildet, welche jeweils mit der korrespondierenden externen Kontaktvorrichtung elektrisch verbunden werden. Bei der Verwendung eines Kontaktbügels können über mindestens eine interne Kontaktfläche die zweiten Leistungsanschlüsse einer variablen Anzahl von Halbleiterschaltern elektrisch mit dem Kontaktbügel verbunden werden, welcher eine von der Anzahl der kontaktierten Halbleiterschalter unabhängige externe Kontaktfläche ausbildet, welche dann mit der korrespondierenden externen Kontaktvorrichtung elektrisch verbunden werden kann. Durch die Verwendung von Kontaktbügeln mit einer variablen Anzahl von internen Kontaktflächen, deren Abmessungen und/oder Anzahl von den zu kontaktierenden Halbleiterschaltern abhängig ist, und nur einer externen Kontaktfläche, deren Form und Abmessung von der Anzahl der zu kontaktierenden Halbleiterschalter unabhängig ist, ist es möglich die Anzahl der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der zu schaltenden elektrischen Leistung zu skalieren. Das bedeutet, dass die Anzahl der Halbleiterschalter des Leistungsmoduls in Abhängigkeit der zu schaltenden elektrischen Leistung ausgewählt werden kann. Da die externen Kontaktflächen der Kontaktbügel, welche jeweils über eine externe Kontaktvorrichtung mit einem der Versorgungsanschlüsse oder dem Lastanschluss elektrisch verbunden werden können, unabhängig von der Anzahl der zu kontaktierenden Halbleiterschalter des Leistungsmoduls immer gleich ausgeführt werden können, können für verschiedene Leistungsmodule einer Leistungsmodulfamilie, welche sich in der zu schaltenden elektrischen Leistung und in der Anzahl der Halbleiterschalter unterscheiden, die gleichen externen Kontaktvorrichtungen zur Kontaktierung des Leistungsmoduls und zur elektrischen Verbindung des Leistungsmoduls mit dem Lastanschluss und den Versorgungsanschlüssen verwendet werden, ohne das Anpassungen erforderlich sind.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann die mindestens eine erste Leiterstruktur an mindestens einem externen Kontaktbereich über mindestens ein erstes Abstandselement, welches eine dritte externe Kontaktfläche ausbildet, und über eine dritte externe Kontaktvorrichtung elektrisch niederinduktiv mit einem zweiten Versorgungsanschluss verbunden sein. Hierbei kann die mindestens eine zweite Leiterstruktur an mindestens einem externen Kontaktbereich über mindestens ein zweites Abstandselement, welches eine vierte externe Kontaktfläche ausbildet, und über die erste externe Kontaktvorrichtung elektrisch niederinduktiv mit dem Lastanschluss verbunden sein. Durch die Verwendung von Abstandselementen kann die Kontaktierung der Leiterstrukturen vereinfacht werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls können die zweite externe Kontaktvorrichtung und die dritte externe Kontaktvorrichtung an einem gemeinsamen ersten Endbereich des ersten Schaltungsträgers angeordnet sein. Die erste externe Kontaktvorrichtung kann an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich des ersten Schaltungsträgers angeordnet sein. Dadurch können eine erste Stromschiene zur Verbindung des Leistungsmoduls mit dem positiven ersten Versorgunganschluss und eine zweite Stromschiene zur Verbindung des Leistungsmoduls mit dem negativen zweiten Versorgunganschluss auf ein und dieselbe Seite des Schaltungsträgers gelegt werden. Dies ermöglicht, dass die Stromschienen zur Verbindung des Leistungsmoduls mit den Versorgungsanschlüssen der Gleichspannungsversorgung übereinander angeordnet werden können. Eine dritte Stromschiene zur Verbindung des Leistungsmoduls mit dem Lastanschluss kann auf der gegenüberliegenden Seite des Leistungsmoduls angeordnet sein. Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierung des Leistungsmoduls.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann ein Layout des ersten Schaltungsträgers spiegelsymmetrisch zu einer Mittelängsachse ausgeführt sein. Dadurch kann eine symmetrische Verteilung des Stromflusses auf dem Schaltungsträger erreicht werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann auf einem ersten internen Kontaktbereich einer ersten Leiterstruktur und auf einem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich der ersten Leiterstruktur jeweils mindestens ein erster Halbleiterschalter angeordnet und kontaktiert sein. Auf einem ersten internen Kontaktbereich einer zweiten Leiterstruktur und auf einem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur kann jeweils mindestens ein zweiter Halbleiterschalter angeordnet und kontaktiert sein. Der mindestens eine erste Halbleiterschalter kann auch als „High-Side-Schalter“ bezeichnet werden, da er zwischen dem positiven Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss eingeschleift ist. Durch die Verteilung von mehreren ersten Halbleiterschaltern auf zwei interne Kontaktbereiche der ersten Leiterstruktur können in Abhängigkeit von der Stromlast zwei symmetrische Gruppen von „High-Side-Schaltern“ gebildet werden, die beispielsweise jeweils einen, zwei, drei oder mehr erste Halbleiterschalter umfassen können. Hierbei kann jeweils ein erster Kontaktbügel die zweiten Leistungsanschlüsse der „High-Side-Schalter“ der beiden Gruppen kontaktieren, so dass ein erster Kontaktbügel die auf dem ersten internen Kontaktbereich der ersten Leiterstruktur angeordneten ersten Halbleiterschalter kontaktieren kann, und ein weiterer erster Kontaktbügel die auf dem zweiten internen Kontaktbereich der ersten Leiterstruktur angeordneten ersten Halbleiterschalter kontaktieren kann. Der mindestens eine zweite Halbleiterschalter kann auch als „Low-Side-Schalter“ bezeichnet werden, da er zwischen dem negativen Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss eingeschleift ist. Durch die Verteilung von mehreren zweiten Halbleiterschaltern auf zwei interne Kontaktbereiche der zweiten Leiterstruktur können in Abhängigkeit von der Stromlast zwei symmetrische Gruppen von „Low-Side-Schaltern“ gebildet werden, die beispielsweise jeweils einen, zwei, drei oder mehr zweite Halbleiterschalter umfassen können. Hierbei kann jeweils ein zweiter Kontaktbügel die zweiten Leistungsanschlüsse der „Low-Side-Schalter“ der beiden Gruppen kontaktieren, so dass ein zweiter Kontaktbügel die auf dem ersten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur angeordneten zweiten Halbleiterschalter kontaktieren kann, und ein weiterer zweiter Kontaktbügel die auf dem zweiten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur angeordneten zweiten Halbleiterschalter kontaktieren kann. Durch die symmetrische Anordnung der ersten Halbleiterschalter und der zweiten Halbleiterschalter können Streuinduktivitäten reduziert werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann mindestens ein zweiter Schaltungsträger räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger angeordnet sein und mindestens einen internen Kontaktbereich, an welchem Steueranschlüsse der Halbleiterschalter kontaktiert sind, und mindestens einen externen Kontaktbereich aufweisen, an welchem Kontaktelemente angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung kontaktiert werden können. Hierbei können die Kontaktelemente des externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Steckerverbindungen mit den Kontaktelementen der vierten externen Kontaktvorrichtung verbunden werden. Hierbei kann die vierte externe Kontaktvorrichtung vorzugsweise als flexible Leiterplatte ausgebildet sein. Alternativ kann die vierte externe Kontaktvorrichtung als Steckeraufnahme oder als Stecker ausgebildet sein.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann der zweite Schaltungsträger als rahmenförmige insbesondere flexible Leiterplatte mit einem mittleren Verbindungssteg ausgeführt und über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Sinterverbindungen mit dem ersten Schaltungsträger verbunden sein. Hierbei kann an dem Verbindungssteg und an den parallel zum Verbindungsteg verlaufenden äußeren Schenkeln der rahmenförmigen Leiterplatte jeweils ein interner Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers ausgebildet sein. An einem der senkrecht zum Verbindungssteg verlaufenden äußeren Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte kann der externe Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers ausgebildet sein. Hierbei können die Steueranschlüsse der auf dem ersten internen Kontaktbereich und auf dem zweiten internen Kontaktbereich der ersten Leiterstruktur angeordneten ersten Halbleiterschalter über Signalverbindungen mit einem ersten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur kontaktiert werden, welcher an einem ersten äu-ßeren Schenkel der rahmenförmigen zweiten Leiterplatte angeordnet ist, oder mit einem zweiten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur kontaktiert werden, welcher an dem Verbindungssteg der rahmenförmigen zweiten Leiterplatte angeordnet ist. Die Steueranschlüsse der auf dem ersten internen Kontaktbereich und auf dem zweiten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur angeordneten zweiten Halbleiterschalter können über Signalverbindungen mit einem dritten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur kontaktiert werden, welcher an einem zweiten äußeren Schenkel der rahmenförmigen zweiten Leiterplatte angeordnet ist, oder mit dem zweiten internen Kontaktbereich der zweiten Leiterstruktur kontaktiert werden, welcher an dem Verbindungssteg der rahmenförmigen zweiten Leiterplatte angeordnet ist. Die Signalverbindungen können beispielsweise über geeignete Bonddrähte hergestellt werden. Der externe Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers kann beispielsweise an einem dritten oder vierten Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte angeordnet sein, welche senkrecht zum Verbindungssteg verlaufen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann das Leistungsmodul von einer Umhüllung ummoldet sein. Hierbei können im Bereich der externen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements jeweils eine Freilegung in die Umhüllung eingebracht sein, so dass die externen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und die Kontaktelemente des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers und die externe thermische Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements freigelegt und kontaktierbar sind. Durch die Umhüllung, welche vorzugsweise durch eine ausgehärtete Moldmasse gebildet wird, kann die Lebensdauer der Halbleiterschalter und der elektrischen Verbindungen und Kontaktierungen deutlich erhöht werden, da die Umhüllung auch bei hohen Temperaturen eine gute Fixierung der Halbleiterschalter und des zweiten Schaltungsträgers gewährleistet. Zudem werden die Halbleiterschalter sowie die verschiedenen elektrischen Kontaktierungen und Verbindungen und die Leiterstrukturen durch die Umhüllung vor äußeren Einflüssen geschützt. Des Weiteren ermöglicht die Umhüllung einfachere Handhabung des umhüllten Leistungsmodul, so dass die Leistungsmodule einfach weiterverarbeitet und transportiert werden können. Durch das Freilegen der einzelnen elektrischen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und der einzelnen Kontaktelemente des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers und der thermischen Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements nach dem Aushärten der Umhüllung, bleiben die anderen Komponenten des Leistungsmoduls weiterhin fluiddicht von der Umhüllung umschlossen und vor äußeren Einflüssen geschützt. Die einzelnen elektrischen und thermischen Kontaktflächen und die einzelnen Kontaktelemente können vorzugsweise mittels eines Laserstrahls freigelegt werden. Die freigelegten elektrischen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und die freigelegte thermische Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements können dann einfach mit den Kontaktvorrichtungen elektrisch bzw. thermisch kontaktiert werden, welche das ummoldete Leistungsmodul elektrisch mit dem positiven Versorgungsanschluss, dem negativen Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss verbinden können. Die freigelegten Kontaktelemente des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers können dann einfach über entsprechenden Signalleitungen mit einer Auswerte- und Steuereinheit und/oder einem Steuergerät elektrisch verbunden werden, welche die Steuersignale zur Ansteuerung der Halbleiterschalter erzeugen und ausgeben können.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann eine vierte externe Kontaktvorrichtung mit einem Kontaktbereich und mehreren Kontaktelementen ausgebildet sein, um mit dem externen Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert zu werden. Hierbei können die Kontaktelemente des externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Steckerverbindungen mit den Kontaktelementen der vierten externen Kontaktvorrichtung verbunden werden. Hierbei kann die vierte externe Kontaktvorrichtung vorzugsweise als flexible Leiterplatte ausgebildet sein. Alternativ kann die vierte externe Kontaktvorrichtung als Steckeraufnahme oder als Stecker ausgebildet sein.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann mindestens ein zweiter Schaltungsträger räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger angeordnet und über eine Lötverbindung oder Schweißverbindung oder Klebeverbindung oder Sinterverbindung mit dem ersten Schaltungsträger verbunden werden. Hierbei kann der mindestens eine zweite Schaltungsträger mindestens einen internen Kontaktbereich, an welchem Steueranschlüsse der Halbleiterschalter kontaktiert werden, und mindestens einen externen Kontaktbereich aufweisen, an welchem Kontaktelemente angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung kontaktiert werden können.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann das bestückte und kontaktierte Leistungsmodul nach der Verbindung des mindestens einen zweiten Schaltungsträgers mit dem ersten Schaltungsträger und vor der Kontaktierung mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung in ein Moldwerkzeug eingelegt und in einem Moldvorgang mit einer Umhüllung ummoldet werden. Hierbei kann im Bereich der externen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements die Umhüllung freigelegt werden, so dass die externen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und die Kontaktelemente des mindestens einen externen Kontaktbereichs des zweiten Schaltungsträgers und die externe thermische Kontaktfläche des mindestens einen Entwärmungselements durch die erzeugten Freilegungen kontaktierbar sind. Die elektrische bzw. thermischen externen Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers bzw. des mindestens einen Entwärmungselements und der mindestens eine externe Kontaktbereich des zweiten Schaltungsträgers können vor der Entnahme oder nach der Entnahme des ummoldeten Leitungsmoduls aus dem Moldwerkzeug freigelegt werden. Die einzelnen Kontaktflächen und die einzelnen Kontaktelemente können beispielsweise mit einem Laser freigelegt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ohne Umhüllung.
    • 2 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls aus 1 im Bereich eines Entwärmungselements.
    • 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemä-ßen Leistungsmoduls aus 1 ohne Umhüllung.
    • 4 zeigt eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls aus 1 bis 3 mit Umhüllung und freigelegten Kontaktflächen und freigelegten Kontaktstellen.
    • 5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemä-ßen Leistungsmoduls aus 1 bis 4 mit Umhüllung und Kontaktvorrichtungen zur Kontaktierung der freigelegten Kontaktflächen des ersten Schaltungsträgers und des Entwärmungselements und der freigelegten Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers.
    • 6 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls aus 5 im Bereich des Entwärmungselements.
    • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls aus 1 bis 6.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 1 bis 6 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 einen ersten Schaltungsträger 10, welcher eine elektrisch isolierende Schicht 12 aufweist. Auf einer Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht 12 ist mindestens eine Leiterstruktur 14, 16 und auf einer Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht 12 ist mindestens eine thermisch leitende Metallstruktur 7 ausgebildet, welche mit einer Kühlvorrichtung 9 thermisch koppelbar ist. Mindestens ein Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 ist auf der mindestens einen Leiterstruktur 14, 16 angeordnet, wobei ein erster Leistungsanschluss 34A des mindestens einen Halbleiterschalters HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 elektrisch mit der mindestens einen Leiterstruktur 14, 16 verbunden ist. Ein zweiter Leistungsanschluss 34B des mindestens einen Halbleiterschalters HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 und/oder die mindestens eine Leiterstruktur 14, 16 ist elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung 18 verbunden, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist. Hierbei ist mindestens ein Entwärmungselement 50 mit einer internen thermischen Kontaktfläche 54.1 thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur 14 und mit einer externen thermischen Kontaktfläche 56.1 thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 kontaktiert und bildet einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 und der mindestens einen Leiterstruktur 14 aus, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 in die mindestens einen Metallstruktur 7 auf der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht 12 des ersten Schaltungsträgers 10 bewirkbar ist. Das Entwärmungselement 50 weist mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 52 auf, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  • Der erste Schaltungsträger 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als AMB-Substrat 10 (AMB: Active metal bonding) ausgeführt. Die Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 sind als Feldeffekttransistoren 30 ausgeführt, so dass Drainanschlüsse der Feldeffekttransistoren 30 jeweils einem ersten Leistungsanschluss 34A der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 und Sourceanschlüsse der Feldeffekttransistoren 30 jeweils einem zweiten Leistungsanschluss 34B der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 entsprechen. Die Steueranschlüsse 32 der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 entsprechen jeweils einem Gateanschluss oder einem Kelvin-Sourceanschluss des jeweiligen Feldeffekttransistors 30. Das mindestens eine Entwärmungselement 50 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als DBC-Substrat 50A ausgeführt und umfasst eine zwischen zwei Metallschichten 54, 56 angeordnete Keramikschicht 52A als elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 52. Hierbei bildet eine erste Metallschicht 54, vorzugsweise eine Kupferschicht 54A, die interne thermische Kontaktfläche 54.1 des Entwärmungselements 50 aus. Eine zweite Metallschicht 56, vorzugsweise eine Kupferschicht 56A, bildet die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 direkt bzw. über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 gekoppelt. Alternativ kann die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 verbunden werden. Alternativ kann die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 verbunden werden. Die interne thermische Kontaktfläche 54.1 des Entwärmungselements 50 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur 14, 16 gekoppelt. Alternativ kann die interne thermische Kontaktfläche 54.1 des Entwärmungselements 50 über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur 14, 16 verbunden werden. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Entwärmungselement als AMB-Substrat ausgeführt.
  • Wie aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, ist mindestens ein erster Halbleiterschalter HS1 bis HS8 an mindestens einem internen Kontaktbereich 14.1, 14.1A, 14.1B auf mindestens einer ersten Leiterstruktur 14 angeordnet, wobei ein erster Leistungsanschluss 34A des mindestens einen ersten Halbleiterschalters HS1 bis HS8 elektrisch mit der mindestens einen ersten Leiterstruktur 14 verbunden ist. Mindestens ein zweiter Halbleiterschalter LS1 bis LS8 ist an mindestens einem internen Kontaktbereich 16.1, 16.1A, 16.1 B auf mindestens einer zweiten Leiterstruktur 16 angeordnet, wobei ein erster Leistungsanschluss 34A des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters LS1 bis LS8 elektrisch mit der mindestens einen zweiten Leiterstruktur 16 verbunden ist. Zudem ist mindestens ein erster Kontaktbügel 36, 36A, 36B über mindestens eine erste interne Kontaktfläche 36.1 mit einem zweiten Leistungsanschluss 34B einer variablen Anzahl von ersten Halbleiterschaltern HS1 bis HS8 elektrisch verbunden und bildet eine von der Anzahl der kontaktierten ersten Halbleiterschalter HS1 bis HS8 unabhängige erste externe Kontaktfläche 36.2 aus, welche über eine erste externe Kontaktvorrichtung 18A elektrisch niederinduktiv mit einem Lastanschluss verbindbar ist. Mindestens ein zweiter Kontaktbügel 37, 37A, 37B ist über mindestens eine zweite interne Kontaktfläche 37.1 mit einem zweiten Leistungsanschluss 34B einer variablen Anzahl von zweiten Halbleiterschaltern LS1 bis LS8 elektrisch verbunden und bildet eine von der Anzahl der kontaktierten zweiten Halbleiterschalter LS1 bis LS8 unabhängige zweite externe Kontaktfläche 37.2 aus, welche über eine zweite externe Kontaktvorrichtung 18B elektrisch niederinduktiv mit einem ersten Versorgungsanschluss verbindbar ist.
  • Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen des Leistungsmodul 1 ist der zweite Leistungsanschluss 34B des mindestens einen ersten Halbleiterschalters HS1 bis HS8 direkt oder über ein Abstandselement mit der ersten externen Kontaktvorrichtung 18A elektrisch verbunden, und der zweite Leistungsanschluss 34B des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters LS1 bis LS8 ist direkt oder über ein Abstandselement mit der zweiten externen Kontaktvorrichtung 18B elektrisch verbunden.
  • Wie aus 1 bis 6 weiter ersichtlich ist, ist ein Layout der ersten Schaltungsträgers 10 spiegelsymmetrisch zu einer Mittelängsachse MLA ausgeführt. Hierzu ist auf einer Oberseite des ersten Schaltungsträger 10 nur eine erste Leiterstruktur 14 und nur eine zweite Leiterstruktur 16 ausgebildet. Hierbei ist die erste Leiterstruktur 14 an mindestens einem externen Kontaktbereich 14.2, 14.2A, 14.2B über mindestens ein erstes Abstandselement 38, welches eine dritte externe Kontaktfläche 38.1 ausbildet, und über eine dritte externe Kontaktvorrichtung 18C mit einem zweiten Versorgungsanschluss kontaktierbar. Die zweite Leiterstruktur 16 ist an mindestens einem externen Kontaktbereich 16.2 über mindestens ein zweites Abstandselement 39, welches eine vierte externe Kontaktfläche 39.1 ausbildet, und über die erste externe Kontaktvorrichtung 18A mit dem Lastanschluss kontaktierbar. Über die auf der Unterseite des ersten Schaltungsträgers 10 angeordnete Metallstruktur 7 ist Verlustwärme der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 abführbar.
  • Wie insbesondere aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, ist mindestens ein zweiter Schaltungsträger 20 räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger 10 angeordnet und weist mindestens einen internen Kontaktbereich 22, 22A, 22B, 22C, an welchem Steueranschlüsse 32 der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 kontaktiert sind, und mindestens einen externen Kontaktbereich 24 auf, an welchem Kontaktelemente 26 angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung 40 kontaktierbar sind.
  • Wie aus 1 bis 6 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 die zweite Leiterstruktur 16 T-förmig ausgeführt und um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, so dass ein Querbalken der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 parallel zum in der Darstellung rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 und entlang eines in der Darstellung oberen Rands und eines in der Darstellung unteren Rands des ersten Schaltungsträgers 10 verläuft. Ein Längsbalken der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 verläuft entlang der Mittelängsachse MLA des ersten Schaltungsträgers 10 und bildet einen externen Kontaktbereich 16.2 der zweiten Leiterstruktur 16 aus. Die erste Leiterstruktur 14 umfasst zwei rechteckige Bereiche, welche von dem Längsbalken der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 voneinander getrennt sind und über einen an einem in der Darstellung linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 verlaufenden schmalen Verbindungssteg miteinander verbunden sind. Hierbei verläuft ein erster rechteckiger Bereich der ersten Leiterstruktur 14 entlang des in der Darstellung oberen Rands und des in der Darstellung linken Rands des ersten Schaltungsträgers 10 und bildet einen ersten internen Kontaktbereich 14.1A der ersten Leiterstruktur 14 aus. Ein zweiter rechteckiger Bereich der ersten Leiterstruktur 14 verläuft entlang des in der Darstellung unteren Rands und des in der Darstellung linken Rands des ersten Schaltungsträgers 10 und bildet einen zweiten internen Kontaktbereich 14.1 B der ersten Leiterstruktur 14 aus. Die beiden rechteckigen Bereiche der ersten Leiterstruktur 14 weisen im Bereich des Längsbalkens der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 jeweils eine Verlängerung auf, welche in eine Aussparung des Querbalkens der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 ragt. Hierbei bildet die Verlängerung des ersten rechteckigen Bereichs der ersten Leiterstruktur 14 einen ersten externen Kontaktbereich 14.2A aus, und die Verlängerung des zweiten rechteckigen Bereichs der ersten Leiterstruktur 14 bildet einen zweiten externen Kontaktbereich 14.2B aus. Das erste Abstandselement 38 der beiden externen Kontaktbereiche 14.2A, 14.2B der ersten Leiterstruktur 14 ist als Kontaktbrücke ausgeführt, welche den ersten externen Kontaktbereich 14.2A elektrisch mit dem zweiten externen Kontaktbereich 14.2B der ersten Leiterstruktur 14 verbindet und den Längsbalken der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 überbrückt. Zudem bildet ein in der Darstellung oberer Abschnitt des Querbalkens der zweiten Leiterstruktur 16 einen ersten internen Kontaktbereich 16.1A der zweiten Leiterstruktur 16 aus, und ein in der Darstellung unterer Abschnitt des Querbalkens der zweiten Leiterstruktur 16 bildet einen zweiten internen Kontaktbereich 16.1 der zweiten Leiterstruktur 16 aus. Der Längsbalken der T-förmigen zweiten Leiterstruktur 16 bildet an einem in der Darstellung linken Randbereich einen externen Kontaktbereich 16.2 der zweiten Leiterstruktur 16 aus. Auf dem ersten internen Kontaktbereich 14.1A der ersten Leiterstruktur 14 und auf dem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich 14.1B der ersten Leiterstruktur 14 sind jeweils mehrere erste Halbleiterschalter HS1, HS2; HS3, HS4, HS5, HS6, HS7, HS8 angeordnet und kontaktiert. Auf dem ersten internen Kontaktbereich 16.1A der zweiten Leiterstruktur 16 und auf dem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich 16.1B der zweiten Leiterstruktur 16 sind jeweils mehrere zweite Halbleiterschalter LS1, LS2; LS3, LS4, LS5, LS6, LS7, LS8 angeordnet und kontaktiert.
  • Wie aus 1 bis 6 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 auf dem ersten internen Kontaktbereich 14.1A der ersten Leiterstruktur 14 vier erste Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4 angeordnet und jeweils mit einem als Kontaktfläche ausgeführten ersten Leistungsanschluss 34A mit dem ersten internen Kontaktbereich 14.1A kontaktiert. Diese vier ersten Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4 bilden eine erste High-Side-Schaltergruppe aus. Auf dem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich 14.1B der ersten Leiterstruktur 14 sind ebenfalls vier erste Halbleiterschalter HS5, HS6, HS7, HS8 angeordnet und jeweils mit einem als Kontaktfläche ausgeführten ersten Leistungsanschluss 34A mit dem zweiten internen Kontaktbereich 14.1B kontaktiert. Diese vier ersten Halbleiterschalter HS5, HS6, HS7, HS8 bilden eine zweite High-Side-Schaltergruppe aus. Zudem sind zwei erste Halbleiterschalter HS1, HS3 der ersten High-Side-Schaltergruppe und zwei erste Halbleiterschalter HS5, HS7 der zweiten High-Side-Schaltergruppe so ausgerichtet, dass ihre Steueranschlüsse 32 zum in der Darstellung linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 zeigen. Die zwei anderen ersten Halbleiterschalter HS2, HS4 der ersten High-Side-Schaltergruppe und die zwei anderen ersten Halbleiterschalter HS6, HS8 der zweiten High-Side-Schaltergruppe sind so ausgerichtet, dass ihre Steueranschlüsse 32 zum in der Darstellung rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 zeigen. Die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der vier ersten Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4 der ersten High-Side-Schaltergruppe sind mit ersten internen Kontaktflächen 36.1 eines ersten Kontaktbügels 36A kontaktiert, welcher eine erste externe Kontaktfläche 36.2 ausbildet. Hierbei sind die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum linken Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS1, HS3 der ersten High-Side-Schaltergruppe mit einer ersten internen Kontaktfläche 36.1 des ersten Kontaktbügels 36A kontaktiert, und die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum rechten Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS2, HS4 der ersten High-Side-Schaltergruppe sind mit einer anderen ersten internen Kontaktfläche 36.1 des ersten Kontaktbügels 36A kontaktiert. Dadurch sind die zum rechten Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS2, HS4 der ersten High-Side-Schaltergruppe um 180° verdreht zu den zum linken Rand ausgerichteten Halbleiterschaltern HS1, HS3 der ersten High-Side-Schaltergruppe auf dem ersten internen Kontaktbereich 14.1A der ersten Leiterstruktur 14 angeordnet. Die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der vier ersten Halbleiterschalter HS5, HS6, HS7, HS8 der zweiten High-Side-Schaltergruppe sind mit ersten internen Kontaktflächen 36.1 eines weiteren ersten Kontaktbügels 36B kontaktiert, welcher eine weitere erste externe Kontaktfläche 36.2 ausbildet. Hierbei sind die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum linken Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS5, HS7 der zweiten High-Side-Schaltergruppe mit einer ersten internen Kontaktfläche 36.1 des weiteren ersten Kontaktbügels 36B kontaktiert, und die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum rechten Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS6, HS8 der zweiten High-Side-Schaltergruppe sind mit einer anderen ersten internen Kontaktfläche 36.1 des weiteren ersten Kontaktbügels 36B kontaktiert. Dadurch sind die zum rechten Rand ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS6, HS8 der zweiten High-Side-Schaltergruppe um 180° verdreht zu den zum linken Rand ausgerichteten Halbleiterschaltern HS5, HS7 der zweiten High-Side-Schaltergruppe auf dem zweiten internen Kontaktbereich 14.1B der ersten Leiterstruktur 14 angeordnet. Somit entspricht eine Anzahl der ersten internen Kontaktflächen 36.1 der beiden ersten Kontaktbügel 36A, 36B jeweils der halben Anzahl von zu kontaktierenden ersten Halbleiterschaltern HS1, HS2, HS3, HS4 und HS5, HS6, HS7, HS8.
  • Wie aus 1 bis 6 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 auf dem ersten internen Kontaktbereich 16.1A der zweiten Leiterstruktur 16 vier zweite Halbleiterschalter LS1, LS2, LS3, LS4 angeordnet und jeweils mit einem als Kontaktfläche ausgeführten ersten Leistungsanschluss 34A mit dem ersten internen Kontaktbereich 16.1A kontaktiert. Diese vier zweiten Halbleiterschalter LS1, LS2, LS3, LS4 bilden eine erste Low-Side-Schaltergruppe aus. Auf dem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich 16.1B der zweiten Leiterstruktur 16 sind ebenfalls vier zweite Halbleiterschalter LS5, LS6, LS7, LS8 angeordnet und jeweils mit einem als Kontaktfläche ausgeführten ersten Leistungsanschluss 34A mit dem zweiten internen Kontaktbereich 16.1B kontaktiert. Diese vier zweiten Halbleiterschalter LS5, LS6, LS7, LS8 bilden eine zweite Low-Side-Schaltergruppe aus. Zudem sind zwei zweite Halbleiterschalter LS1, LS3 der ersten Low-Side-Schaltergruppe und zwei zweite Halbleiterschalter LS5, LS7 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe so ausgerichtet, dass ihre Steueranschlüsse 32 zum in der Darstellung rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 zeigen. Die zwei anderen zweiten Halbleiterschalter LS2, LS4 der ersten Low-Side-Schaltergruppe und die zwei anderen zweiten Halbleiterschalter LS6, LS8 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe sind so ausgerichtet, dass ihre Steueranschlüsse 32 zum in der Darstellung linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 zeigen. Die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der vier zweiten Halbleiterschalter LS1, LS2, LS3, LS4 der ersten Low-Side-Schaltergruppe sind mit zweiten internen Kontaktflächen 37.1 eines zweiten Kontaktbügels 37A kontaktiert, welcher eine zweite externe Kontaktfläche 37.2 ausbildet. Hierbei sind die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum rechten Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS1, LS3 der ersten Low-Side-Schaltergruppe mit einer zweiten internen Kontaktfläche 37.1 des zweiten Kontaktbügels 37A kontaktiert, und die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum linken Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS2, LS4 der ersten Low-Side-Schaltergruppe sind mit einer anderen zweiten internen Kontaktfläche 37.1 des zweiten Kontaktbügels 37A kontaktiert. Dadurch sind die zum linken Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter HS2, HS4 der ersten Low-Side-Schaltergruppe um 180° verdreht zu den zum rechten Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschaltern LS1, LS3 der ersten Low-Side-Schaltergruppe auf dem ersten internen Kontaktbereich 16.1A der zweiten Leiterstruktur 16 angeordnet. Die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der vier zweiten Halbleiterschalter LS5, LS6, LS7, LS8 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe sind mit zweiten internen Kontaktflächen 37.1 eines weiteren zweiten Kontaktbügels 37B kontaktiert, welcher eine weitere zweite externe Kontaktfläche 37.2 ausbildet. Hierbei sind die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum rechten Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS5, LS7 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe mit einer zweiten internen Kontaktfläche 37.1 des weiteren zweiten Kontaktbügels 37B kontaktiert, und die zweiten Leistungsanschlüsse 34B der beiden zum linken Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS6, LS8 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe sind mit einer anderen zweiten internen Kontaktflächen 37.1 des weiteren zweiten Kontaktbügels 37B kontaktiert. Dadurch sind die zum linken Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS6, LS8 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe um 180° verdreht zu den zum rechten Rand ausgerichteten zweiten Halbleiterschaltern LS5, LS7 der zweiten Low-Side-Schaltergruppe auf dem zweiten internen Kontaktbereich 16.1B der zweiten Leiterstruktur 16 angeordnet. Somit entspricht eine Anzahl der zweiten internen Kontaktflächen 37.1 der beiden zweiten Kontaktbügel 37A, 37B jeweils der halben Anzahl von zu kontaktierenden ersten Halbleiterschaltern HS1, HS2, HS3, HS4 und HS5, HS6, HS7, HS8. Zwischen den beiden Low-Side-Schaltergruppen ist das Entwärmungselement 50 auf der zweiten Leiterstruktur 16 angeordnet. Hierbei ist die interne thermische Kontaktfläche 54.1 des Entwärmungselements 50 über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit der zweiten Leiterstruktur 16 verbunden, wie aus 2 und 6 weiter ersichtlich ist. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, ist die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit der zweite externen Kontaktvorrichtung 18B verbunden.
  • Wie aus 1 bis 6 weiter ersichtlich ist, ist der zweite Schaltungsträger 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 als rahmenförmige flexible Leiterplatte 20 mit einem mittleren Verbindungssteg ausgeführt und über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Sinterverbindungen mit dem ersten Schaltungsträger 10 verbunden. Hierbei ist an dem Verbindungssteg und an den parallel zum Verbindungsteg verlaufenden äu-ßeren Schenkeln der rahmenförmigen Leiterplatte 20 jeweils ein interner Kontaktbereich 22 des zweiten Schaltungsträgers 20 ausgebildet. Ein erster interner Kontaktbereich 22A des zweiten Schaltungsträgers 20 ist an einem in der Darstellung linken Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte 20 angeordnet, welcher an einem in der Darstellung linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 verläuft. Ein zweiter interner Kontaktbereich 22B des zweiten Schaltungsträgers 20 ist am Verbindungssteg der rahmenförmigen Leiterplatte 20A angeordnet. Ein dritter interner Kontaktbereich 22C des zweiten Schaltungsträgers 20 ist an einem in der Darstellung rechten Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte 20A angeordnet, welcher an einem in der Darstellung rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 verläuft. Ein externer Kontaktbereich 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 ist an einem senkrecht zum Verbindungssteg verlaufenden äußeren Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte 20A ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der externe Kontaktbereich 24 an einem in der Darstellung oberen Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte 20A ausgebildet. Alternativ kann der externe Kontaktbereich 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 an einem in der Darstellung unteren Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte 20A ausgebildet werden.
  • Wie insbesondere aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, sind die Steueranschlüsse 32 der zum linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS1, HS3, HS5, HS7 der ersten High-Side-Schaltergruppe und der zweiten High-Side-Schaltergruppe jeweils über als Signalbonddrähte 28A ausgeführte Signalverbindungen 28 mit dem gemeinsamen ersten internen Kontaktbereich 22A des zweiten Schaltungsträgers 20 kontaktiert. Die Steueranschlüsse der zum linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10 ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS2, LS4, LS6, LS8 der ersten und zweiten Low-Side-Schaltergruppe und die Steueranschlüsse 32 der zum rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 ausgerichteten ersten Halbleiterschalter HS2, HS4, HS6, HS8 der ersten und zweiten High-Side-Schaltergruppe sind jeweils über als Signalbonddrähte 28A ausgeführte Signalverbindungen 28 mit dem gemeinsamen zweiten internen Kontaktbereich 22B des zweiten Schaltungsträgers 20 kontaktiert. Die Steueranschlüsse der zum rechten Rand des ersten Schaltungsträgers 10 ausgerichteten zweiten Halbleiterschalter LS1, LS3, LS5, LS7 der ersten und zweiten Low-Side-Schaltergruppe sind jeweils über als Signalbonddrähte 28A ausgeführte Signalverbindungen 28 mit dem gemeinsamen dritten internen Kontaktbereich 22C des zweiten Schaltungsträgers 20 kontaktiert.
  • Wie aus 4 bis 6 weiter ersichtlich ist, ist das Leistungsmodul 1 in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils von einer Umhüllung 3 ummoldet, so dass ein umhülltes Leistungsmodul 1A entsteht. Hierbei ist im Bereich der externen Kontaktflächen 36.2, 37.2, 38.1, 39.1 des ersten Schaltungsträgers 10 und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 in die Umhüllung 3 jeweils eine Freilegung 5 eingebracht, so dass die externen Kontaktflächen 36.2, 37.2, 38.1, 39.1 des ersten Schaltungsträgers 10 und die Kontaktelemente 26 des mindestens einen externen Kontaktbereichs 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 freigelegt und kontaktierbar sind.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, sind die ersten externen Kontaktflächen 36.2 der beiden ersten Kontaktbügel 36A, 36B, welche jeweils mit den zweiten Leistungsanschlüssen 34B der auf der ersten Leiterstruktur 14 angeordneten Halbleiterschaltern HS1, HS2, HS3, HS4, HS5, HS6, HS7, HS8 kontaktiert sind, und die vierte externe Kontaktfläche 39.1 des zweiten Abstandselements 39 jeweils über eine Sinterverbindung elektrisch mit der ersten externen Kontaktvorrichtung 18A verbunden. Die erste externe Kontaktvorrichtung 18A ist als Laststromschiene ausgeführt und verbindet die zweite Leiterstruktur 16A und die beiden ersten Kontaktbügel 36A, 36B und somit die Leistungsanschlüsse 34B der auf der ersten Leiterstruktur 14 angeordneten ersten Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4, HS5, HS6, HS7, HS8 des ersten Schaltungsträgers 10 mit dem Lastanschluss. Alternativ können die ersten externen Kontaktflächen 36.2 der beiden Kontaktbügel 36A, 36B und die vierte externe Kontaktfläche 39.1 jeweils über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung elektrisch mit der ersten externen Kontaktvorrichtung 18A verbunden werden.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, sind die zweiten externen Kontaktflächen 37.2 der beiden zweiten Kontaktbügel 37A, 37B, welche jeweils mit den zweiten Leistungsanschlüssen 34B der auf der zweiten Leiterstruktur 16 angeordneten zweiten Halbleiterschaltern LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6, LS7, LS8 des ersten Schaltungsträgers 10 elektrisch kontaktiert sind, jeweils über eine Sinterverbindung elektrisch mit der zweiten externen Kontaktvorrichtung 18B verbunden. Zudem ist die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit der zweiten externen Kontaktvorrichtung 18B verbunden, wie aus 5 und 6 ersichtlich ist. Diese zweite externe Kontaktvorrichtung 18B ist als Versorgungsstromschiene ausgeführt und verbindet die zweiten externen Kontaktflächen 37.2 der beiden zweiten Kontaktbügel 37A, 37B und somit die Leistungsanschlüsse 34B der auf der zweiten Leiterstruktur 16 angeordneten zweiten Halbleiterschalter LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6, LS7, LS8 des ersten Schaltungsträgers 10 mit einem negativen Versorgungsanschluss einer Gleichstromquelle. Alternativ können die beiden zweiten externen Kontaktflächen 37.2 jeweils über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung elektrisch mit der zweiten externen Kontaktvorrichtung 18B verbunden werden. Die externen thermische Kontaktfläche 56.1 des Entwärmungselements 50 kann alternativ über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung thermisch mit der zweiten externen Kontaktvorrichtung 18B verbunden werden. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, ist die mindestens eine Metallstruktur 7 an der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht 12 des ersten Schaltungsträgers 10 über eine als Leitkleberschicht 58A ausgeführte Wärmeleitschicht 58 thermisch mit einer als Kühlkörper 9A ausgeführten Kühlvorrichtung 9 verbunden. Alternativ kann die mindestens eine Metallstruktur 7 an der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht 12 des ersten Schaltungsträgers 10 über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Sinterverbindung thermisch mit Kühlvorrichtung 9 verbunden werden.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, ist die dritte externe Kontaktfläche 38.1 der ersten Leiterstruktur 14A, 14B des ersten Schaltungsträgers 10A, 10B, welche von dem als Kontaktbrücke ausgeführten ersten Abstandselement 38 ausgebildet wird, über eine Sinterverbindung elektrisch mit einer dritten externen Kontaktvorrichtung 18C verbunden. Die dritte externe Kontaktvorrichtung 18C ist als Versorgungsstromschiene ausgeführt und verbindet die erste Leiterstruktur 14 mit einem positiven Versorgungsanschluss der Gleichstromquelle. Alternativ kann die dritte externe Kontaktfläche 38.1 über eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung elektrisch mit der dritten externen Kontaktvorrichtung 18C verbunden werden.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, sind die zweite externe Kontaktvorrichtung 18B und die dritte externe Kontaktvorrichtung 18C an einem gemeinsamen ersten Endbereich des ersten Schaltungsträgers 10 angeordnet. Die erste externe Kontaktvorrichtung 18A ist an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich des ersten Schaltungsträgers 10 angeordnet.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, ist die vierte externe Kontaktvorrichtung 40 in den dargestellten Ausführungsbeispielen des Leistungsmoduls 1, 1A jeweils als flexible Leiterplatte 40A ausgeführt, welche an einem Ende einen Kontaktbereich 42 und mehrere Kontaktelemente 44 umfasst, um mit dem externen Kontaktbereich 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 elektrisch kontaktiert zu werden. Hierbei werden die Kontaktelemente 44 der vierten externen Kontaktvorrichtung 40 im dargestellten Ausführungsbeispiel über Schweißverbindungen mit den Kontaktelementen 26 des externen Kontaktbereichs 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 elektrisch kontaktiert. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung über Lötverbindungen oder Klebeverbindungen oder Steckerverbindungen erfolgen. Alternativ kann die vierte externe Kontaktvorrichtung 40 auch als Steckeraufnahme oder als Stecker ausgebildet sein. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist der externe Kontaktbereich 24A des zweiten Schaltungsträgers 20 und der mit dem externen Kontaktbereich 24A verbundene Kontaktbereich 42 der vierten externen Kontaktvorrichtung 40 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1A nach innen versetzt parallel zum in der Darstellung linken Rand des ersten Schaltungsträgers 10A angeordnet. Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, ist der externe Kontaktbereich 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und der mit dem externen Kontaktbereich 24 verbundene Kontaktbereich 42 der vierten externen Kontaktvorrichtung 40 im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1B parallel zum in der Darstellung oberen Rand des ersten Schaltungsträgers 10 angeordnet. Am anderen Ende ist die vierte externe Kontaktvorrichtung 40 elektrisch mit einer nicht dargestellten Auswerte- und Steuereinheit oder einem Steuergerät verbunden, welche die Steuersignale zur Ansteuerung der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 erzeugen und ausgeben.
  • Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung des oben beschriebenen Leistungsmoduls 1 einen Schritt S100, in welchem ein erster Schaltungsträger 10, mindestens ein Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 und mindestens ein Entwärmungselement 50 bereitgestellt werden. In einem Schritt S110 wird ein erster Leistungsanschluss 34A des mindestens einen Halbleiterschalters HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 elektrisch mit mindestens einer Leiterstruktur 14, 16 des ersten Schaltungsträgers 10 verbunden. In einem Schritt S120 werden ein zweiter Leistungsanschluss 34B des mindestens einen Halbleiterschalters HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 und/oder die mindestens eine Leiterstruktur 14, 16 elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung 18 verbunden, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist. In einem Schritt S130 wird eine interne thermische Kontaktfläche 54.1 des mindestens einen Entwärmungselements 50 thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur 14 verbunden, und eine externe thermische Kontaktfläche 56.1 des mindestens einen Entwärmungselements 50 wird in einem Schritt S140 thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 kontaktiert, so dass das mindestens eine Entwärmungselement 50 einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 und der mindestens einen Leiterstruktur 14 ausbildet, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 in mindestens eine Metallstruktur 7 auf einer Unterseite einer elektrisch isolierenden Schicht 12 des ersten Schaltungsträgers 10 bewirkbar ist. Das Entwärmungselement 50 weist mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 52 auf, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  • Zudem kann im Schritt 100 mindestens ein zweiter Schaltungsträger 20 bereitgestellt werden und im Schritt S110 räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger (10) angeordnet und über eine Lötverbindung oder Schweißverbindung oder Klebeverbindung oder Sinterverbindung mit dem ersten Schaltungsträger verbunden werden. Der mindestens eine zweite Schaltungsträger 20 weist mindestens einen internen Kontaktbereich 22, an welchem im Schritt S120 Steueranschlüsse 32 der Halbleiterschalter HS1 bis HS8, LS1 bis LS8 kontaktiert werden können, und mindestens einen externen Kontaktbereich 24 auf, an welchem Kontaktelemente 26 angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung 40 kontaktiert werden können.
  • Zur Herstellung des in 4 bis 6 dargestellten ummoldeten Leistungsmoduls 1A wird das bestückte und kontaktierte Leistungsmodul 1 nach der Verbindung des mindestens einen zweiten Schaltungsträgers 20 mit dem ersten Schaltungsträger 10 und vor der Kontaktierung mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung 18 in ein Moldwerkzeug eingelegt und in einem Moldvorgang mit einer Umhüllung 3 ummoldet. Hierbei wird im Bereich der externen Kontaktflächen 36.2, 37.2, 38.1, 39.1 des ersten Schaltungsträgers 10 und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche 56.1 des mindestens einen Entwärmungselements 50 die Umhüllung 3 freigelegt, so dass die externen Kontaktflächen 36.2, 37.2, 38.1, 39.1 des ersten Schaltungsträgers 10 und die Kontaktelemente 26 des mindestens einen externen Kontaktbereichs 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des mindestens einen Entwärmungselements 50 durch die erzeugten Freilegungen 5 kontaktierbar sind. Die externen Kontaktflächen 36.2, 37.2, 38.1, 39.1 des ersten Schaltungsträgers 10 und der mindestens eine externe Kontaktbereich 24 des zweiten Schaltungsträgers 20 und die externe thermische Kontaktfläche 56.1 des mindestens einen Entwärmungselements 50 können vor der Entnahme oder nach der Entnahme des ummoldeten Leitungsmoduls 2A, 2b aus dem Moldwerkzeug freigelegt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014219998 B4 [0002]
    • EP 2418925 B1 [0003]

Claims (19)

  1. Leistungsmodul (1) mit einem ersten Schaltungsträger (10), welcher eine elektrisch isolierende Schicht (12) aufweist, wobei auf einer Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht (12) mindestens eine Leiterstruktur (14, 16) und auf einer Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht (12) mindestens eine thermisch leitende Metallstruktur (7) ausgebildet ist, welche mit einer Kühlvorrichtung (9) thermisch koppelbar ist, wobei mindestens ein Halbleiterschalter (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) auf der mindestens einen Leiterstruktur (14, 16) angeordnet ist, wobei ein erster Leistungsanschluss (34A) des mindestens einen Halbleiterschalters (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) elektrisch mit der mindestens einen Leiterstruktur (14, 16) verbunden ist, wobei ein zweiter Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen Halbleiterschalters (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) und/oder die mindestens eine Leiterstruktur (14, 16) elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung (18) verbunden ist, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist, wobei mindestens ein Entwärmungselement (50) mit einer internen thermischen Kontaktfläche (54.1) thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur (14) und mit einer externen thermischen Kontaktfläche (56.1) thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) kontaktiert ist und einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) und der mindestens einen Leiterstruktur (14) ausbildet, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) in die mindestens einen Metallstruktur (7) auf der Unterseite der elektrisch isolierenden Schicht (12) des ersten Schaltungsträgers (10) bewirkbar ist, wobei das Entwärmungselement (50) mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht (52) aufweist, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  2. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Entwärmungselement (50) als DBC-Substrat (50A) oder als AMB-Substrat ausgeführt ist und eine zwischen zwei Metallschichten (54, 56) angeordnete Keramikschicht (52A) als elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht (52) umfasst, wobei eine erste Metallschicht (54) die interne thermische Kontaktfläche (54.1) des Entwärmungselements (50) ausbildet, und wobei eine zweite Metallschicht (56) die externe thermische Kontaktfläche (56.1) des Entwärmungselements (50) ausbildet und direkt oder über einen Abstandselement thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) gekoppelt ist.
  3. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Halbleiterschalter (HS1 bis HS8) auf mindestens einer ersten Leiterstruktur (14) und mindestens ein zweiter Halbleiterschalter (LS1 bis LS8) auf mindestens einer zweiten Leiterstruktur (16) angeordnet ist.
  4. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen ersten Halbleiterschalters (HS1 bis HS8) oder ein Abstandselement oder ein erster Kontaktbügel (36), welche elektrisch mit dem zweiten Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen ersten Halbleiterschalters (HS1 bis HS8) elektrisch verbunden sind, mindestens eine erste externe Kontaktfläche (36.2) ausbilden, welche über eine erste externe Kontaktvorrichtung (18A) elektrisch niederinduktiv mit einem Lastanschluss verbindbar ist.
  5. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters (LS1 bis LS8) oder ein Abstandselement oder ein zweiter Kontaktbügel (37), welche elektrisch mit dem zweiten Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters (LS1 bis LS8) elektrisch verbunden sind, mindestens eine zweite externe Kontaktfläche (37.2) ausbilden, welche über eine zweite externe Kontaktvorrichtung (18B) elektrisch niederinduktiv mit einem ersten Versorgungsanschluss verbindbar ist.
  6. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Leiterstruktur (14) an mindestens einem externen Kontaktbereich (14.2) über mindestens ein erstes Abstandselement (38), welches eine dritte externe Kontaktfläche (38.1) ausbildet, und über eine dritte externe Kontaktvorrichtung (18C) elektrisch niederinduktiv mit einem zweiten Versorgungsanschluss verbindbar ist.
  7. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Leiterstruktur (16) an mindestens einem externen Kontaktbereich (16.2) über mindestens ein zweites Abstandselement (39), welches eine vierte externe Kontaktfläche (39.1) ausbildet, und über die erste externe Kontaktvorrichtung (18A) elektrisch niederinduktiv mit dem Lastanschluss verbindbar ist.
  8. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 4 und 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite externe Kontaktvorrichtung (18B) und die dritte externe Kontaktvorrichtung (18C) an einem gemeinsamen ersten Endbereich des ersten Schaltungsträgers (10) angeordnet sind, wobei die erste externe Kontaktvorrichtung (18A) an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich des ersten Schaltungsträgers (10) angeordnet ist.
  9. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Layout des ersten Schaltungsträgers (10) spiegelsymmetrisch zu einer Mittelängsachse (MLA) ausgeführt ist.
  10. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem ersten internen Kontaktbereich (14.1A) einer ersten Leiterstruktur (14) und auf einem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich (14.1B) der ersten Leiterstruktur (14) jeweils mindestens ein erster Halbleiterschalter (HS1 bis HS8) angeordnet und kontaktiert ist, wobei auf einem ersten internen Kontaktbereich (16.1A) einer zweiten Leiterstruktur (16) und auf einem gegenüberliegenden zweiten internen Kontaktbereich (16.1 B) der zweiten Leiterstruktur (16) jeweils mindestens ein zweiter Halbleiterschalter (LS1 bis LS8) angeordnet und kontaktiert ist.
  11. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Schaltungsträger (20) räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger (10) angeordnet ist und mindestens einen internen Kontaktbereich (22), an welchem Steueranschlüsse (32) der Halbleiterschalter (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) kontaktiert sind, und mindestens einen externen Kontaktbereich (24) aufweist, an welchem Kontaktelemente (26) angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung (40) kontaktierbar sind.
  12. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltungsträger (20) als rahmenförmige insbesondere flexible Leiterplatte (20A) mit einem mittleren Verbindungssteg ausgeführt und über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Sinterverbindungen mit dem ersten Schaltungsträger (10) verbunden ist.
  13. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verbindungssteg und an den parallel zum Verbindungsteg verlaufenden äußeren Schenkeln der rahmenförmigen Leiterplatte (20A) jeweils ein interner Kontaktbereich (22) des zweiten Schaltungsträgers (20) ausgebildet ist, wobei an einem der senkrecht zum Verbindungssteg verlaufenden äußeren Schenkel der rahmenförmigen Leiterplatte (20A) ein externer Kontaktbereich (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) ausgebildet ist.
  14. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) von einer Umhüllung (3) ummoldet ist.
  15. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der externen Kontaktflächen (36.2, 37.2, 38.1, 39.1) des ersten Schaltungsträgers (10) und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche (56.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) jeweils eine Freilegung (5) in die Umhüllung (3) eingebracht ist, so dass die externen Kontaktflächen (36.2, 37.2, 38.1, 39.1) des ersten Schaltungsträgers (10) und die Kontaktelemente (26) des mindestens einen externen Kontaktbereichs (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) und die externe thermische Kontaktfläche (56.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) freigelegt und kontaktierbar sind.
  16. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte externe Kontaktvorrichtung (40) mit einem Kontaktbereich (42) und mehreren Kontaktelementen (44) ausgebildet ist, um mit dem externen Kontaktbereich (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) elektrisch kontaktiert zu werden, wobei die Kontaktelemente (26) des externen Kontaktbereichs (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen oder Klebeverbindungen oder Steckerverbindungen mit den Kontaktelementen (44) der vierten externen Kontaktvorrichtung (40) verbindbar sind, wobei die vierte externe Kontaktvorrichtung (40) als flexible Leiterplatte (40A) oder als Steckeraufnahme oder als Stecker ausgebildet ist.
  17. Verfahren (100) zur Herstellung eines Leistungsmoduls (1), welches nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgeführt ist, wobei ein erster Schaltungsträger (10), mindestens ein Halbleiterschalter (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) und mindestens ein Entwärmungselement (50) bereitgestellt werden, wobei ein erster Leistungsanschluss (34A) des mindestens einen Halbleiterschalters (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) elektrisch mit mindestens einer Leiterstruktur (14, 16) des ersten Schaltungsträgers (10) verbunden wird, wobei ein zweiter Leistungsanschluss (34B) des mindestens einen Halbleiterschalters (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) und/oder die mindestens eine Leiterstruktur (14, 16) elektrisch niederinduktiv mit mindestens einer externen Kontaktvorrichtung (18) verbunden werden, welche mit einem Lastanschluss oder mit einem Versorgungsanschluss kontaktierbar ist, wobei eine interne thermische Kontaktfläche (54.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) thermisch mit der mindestens einen Leiterstruktur (14) verbunden wird, und eine externe thermische Kontaktfläche (56.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) thermisch mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) kontaktiert wird, so dass das mindestens eine Entwärmungselement (50) einen Wärmeableitpfad zwischen der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) und der mindestens einen Leiterstruktur (14) ausbildet, über welchen eine Wärmeableitung von der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) in mindestens eine Metallstruktur (7) auf einer Unterseite einer elektrisch isolierenden Schicht (12) des ersten Schaltungsträgers (10) bewirkbar ist, wobei das Entwärmungselement (50) mindestens eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht (52) aufweist, welche eine Potentialtrennung bewirkt.
  18. Verfahren (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Schaltungsträger (20) räumlich parallel über dem ersten Schaltungsträger (10) angeordnet und über eine Lötverbindung oder Schweißverbindung oder Klebeverbindung oder Sinterverbindung mit dem ersten Schaltungsträger verbunden wird, wobei der mindestens eine zweite Schaltungsträger (20) mindestens einen internen Kontaktbereich (22), an welchem Steueranschlüsse (32) der Halbleiterschalter (HS1 bis HS8, LS1 bis LS8) kontaktiert werden, und mindestens einen externen Kontaktbereich (24) aufweist, an welchem Kontaktelemente (26) angeordnet sind, welche mit Steuerleitungen einer vierten externen Kontaktvorrichtung (40) kontaktiert werden.
  19. Verfahren (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das bestückte und kontaktierte Leistungsmodul (1) nach der Verbindung des mindestens einen zweiten Schaltungsträgers (20) mit dem ersten Schaltungsträger (10) und vor der Kontaktierung mit der mindestens einen externen Kontaktvorrichtung (18) in ein Moldwerkzeug eingelegt und in einem Moldvorgang mit einer Umhüllung (3) ummoldet wird, wobei im Bereich der externen Kontaktflächen (36.2, 37.2, 38.1, 39.1) des ersten Schaltungsträgers (10) und im Bereich des mindestens einen externen Kontaktbereichs (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) und im Bereich der externen thermischen Kontaktfläche (56.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) die Umhüllung (3) freigelegt wird, so dass die externen Kontaktflächen (36.2, 37.2, 38.1, 39.1) des ersten Schaltungsträgers (10) und die Kontaktelemente (26) des mindestens einen externen Kontaktbereichs (24) des zweiten Schaltungsträgers (20) und die externe thermische Kontaktfläche (56.1) des mindestens einen Entwärmungselements (50) durch die erzeugten Freilegungen (5) kontaktierbar sind.
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