DE102022207922B3 - Leistungselektronikmodul, Elektroantrieb und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend eine durchgehende DBC-Leiterplatte mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage davon angeordneten Leistungshalbleitern, und ein oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnetes Lead-Frame zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung, wobei das Lead-Frame aufweist: eine Drain-Source Verbindung, die mit einem Drain-Source-Kontakt der Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist, und eine der Drain-Source Verbindung über die Leistungshalbleiter gegenüberliegende Last-Source Verbindung, die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter kontaktierbar ist, und mindestens einen Gate-Source-Anschluss und einen Kelvin-Source-Anschluss, gekennzeichnet durch ein Trägerelement aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dem Leiterbahnen vorgesehen sind, wobei das Trägerelement in einem Bereich zwischen der Last-Source Verbindung und der Drain-Source Verbindung zwischen den Leistungshalbleitern geführt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule.
  • Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen.
  • Um die Energie bereitstellen zu können, ist eine Vielzahl von Elektronikbauteilen nötig, mit denen z.B. Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Leistungshalbleiter können in kompletten Leistungselektronikmodulen (auch als Powermodule bezeichnet) oder als diskrete Bauteile verbaut werden.
  • Leistungselektronikmodule verfügen über eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Leistungshalbleitern, die auf der Leiterplatte miteinander elektrisch zur Leistungs- und Steuerungsführung kontaktiert sind. Auch sind bereits sogenannte Lead-Frames (Anschluss-Rahmen) verfügbar, also metallische Leitungsträger, um Stromverbindungen nach intern und extern herzustellen. Die Positionierung der Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte ist dabei zu einem hohen Anteil von der Herstellbarkeit des Lead-Frames getrieben.
  • In aktuellen Leistungselektronikmodulen werden außerdem häufig Teile der in der Regel als DBC-Leiterplatte ausgeführten Leiterplatte für die Signalleitung von den Leistungshalbleitern abgetrennt, so dass diese keinen vorteilhaften thermischen Einfluss mehr haben und somit zu einer Reduktion der Leistungsdichte des Bauteils führt.
  • Weitere Leistungsmodule sind auch aus der US 2008 / 0224 285 A1 und DE 10 2018 123 857 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungselektronikmodul bereitzustellen, durch welches die oben genannten Nachteile verbessert werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend eine durchgehende DBC-Leiterplatte mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage davon angeordneten Leistungshalbleitern, und ein oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnetes Lead-Frame zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung, wobei das Lead-Frame aufweist: eine Drain-Source Verbindung, die mit einem Drain-Source-Kontakt der DBC-Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist, und eine der Drain-Source Verbindung über die Leistungshalbleiter gegenüberliegende Last-Source Verbindung, die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter kontaktierbar ist, und mindestens einen Gate-Source-Anschluss und einen Kelvin-Source-Anschluss, gekennzeichnet durch ein Trägerelement aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dem Leiterbahnen vorgesehen sind, wobei das Trägerelement in einem Bereich zwischen der Last-Source Verbindung und der Drain-Source Verbindung zwischen den Leistungshalbleitern geführt ist.
  • In einer Ausführung sind Wirebonds vorgesehen, welche die Leiterbahnen des Trägerelements mit den Leistungshalbleitern und/oder den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen elektrisch verbinden.
  • In einer Ausführung ist das Trägerelement derart gebildet, dass es zu den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen und/oder zu den Leistungshalbleitern geführt ist, so dass die Leiterbahnen eine elektrische Kontaktierung zwischen den Leistungshalbleitern und/oder den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen bereitstellen.
  • In einer Ausführung ist das Trägerelement derart gebildet, dass eine der Leiterbahnen auf einer der DBC-Leiterplatte zugewandten ersten Seite des Trägerelements und die andere Leiterbahn auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Trägerelements angeordnet ist.
  • In einer Ausführung ist zwischen der Last-Source Verbindung und der Leiterbahn, die der Last-Source Verbindung zugewandt ist, ein elektrisch isolierendes Element vorgesehen.
  • In einer Ausführung ist das Trägerelement mittig zwischen den Leistungshalbleitern geführt.
  • In einer Ausführung ist das Trägerelement oberhalb oder unterhalb der Last-Source Verbindung des Lead-Frames geführt.
  • In einer Ausführung ist das Trägerelement aus Glas, Kunststoff oder Keramik gebildet.
  • In einer Ausführung sind die DBC Leiterplatte, die Leistungshalbleiter und die im Bereich der DBC-Leiterplatte angeordneten Teile des Trägerelements und des Lead-Frames von einer Vergussmasse umgeben.
  • Ferner wird die Verwendung des Leistungselektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs bereitgestellt.
  • Ferner wird ein Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Leistungselektronikmodul. Ebenfalls wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend den Elektroantrieb.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungselektronikmodul gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt das in 1 gezeigte Leistungselektronikmodul in einer Seitenansicht.
    • 3 zeigt eine schräge Draufsicht auf das in 1 gezeigte Leistungselektronikmodul.
    • 4 zeigt eine schräge Draufsicht auf ein Leistungselektronikmodul gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 5 und 6 zeigen eine schräge Draufsicht auf ein Leistungselektronikmodul gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 7 zeigt eine Ansicht eines in 5 und 6 verwendeten Glasträgers mit Leitungen zur Signalführung.
    • 8 und 9 zeigen jeweils eine Draufsicht eines Leistungselektronikmoduls gemäß weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, werden in aktuellen Leistungselektronikmodulen häufig Teile der Leiterplatte 3 für die Signalleitung von den Leistungshalbleitern 2 abgetrennt, so dass diese keinen vorteilhaften thermischen Einfluss mehr haben und dies somit zu einer Reduktion der Leistungsdichte des Bauteils (des Leistungshalbleiters 2) führt. Auch ist die Positionierung der Leistungshalbleiter 2 zu einem großen Teil von der Herstellbarkeit des Lead-Frames 1 abhängig, so dass häufig keine für die jeweilige Anwendung optimale Verteilung auf der Leiterplatte 3 erfolgen kann.
  • Um eine verbesserte Leistungsdichte bei Leistungselektronikmodulen zu erreichen, erfolgt erfindungsgemäß keine Abtrennung von Teilen der DBC-Leiterplatte 3 mehr, d.h. die DBC-Leiterplatte 3 ist durchgängig gebildet. Somit kann eine optimale Verteilung der Leistungshalbleiter 2 auf der DBC-Leiterplatte 3 erfolgen. Außerdem wird ein einziges Lead-Frame 1 für die Leistungskontaktierung von Drain und Source eingesetzt, d.h. es ist eine Drain-Source Verbindung 12 vorgesehen, die mit einem Drain-Source-Kontakt der DBC-Leiterplatte 3 elektrisch kontaktiert ist. Außerdem weist das Lead-Frame 1 eine oberhalb der Leistungshalbleiter 2 angeordnete Last-Source Verbindung 11 sowie einen außerhalb der DBC-Leiterplatte 3 angeordneten Gate-Source-Anschluss 13 und einen Kelvin-Source-Anschluss 14 auf. Die Last-Source Verbindung 11 weist mehrere Teilbereiche auf, von denen jeder mit einem der Leistungshalbleiter 2 elektrisch kontaktiert ist, wie z.B. in 1 bis 6 zu sehen. Die Last-Source Verbindung 11 und die Drain-Source Verbindung 12 liegen auf einander gegenüberliegenden Endbereichen der DBC-Leiterplatte 3. Das heißt, sie liegen einander über die Leistungshalbleiter 2 bzw. die DBC-Leiterplatte 3 gegenüber, wie in den Figuren gezeigt.
  • Die Leiterplatte 3 ist als eine DBC (Direct Bonded Copper)-Leiterplatte 3, nachfolgend kurz auch als DBC 3 bezeichnet, ausgeführt. Auf der DBC-Leiterplatte 3 sind Leistungshalbleiter 2 angeordnet, welche über entsprechende Verbindungen (Bonds, Lötstellen, etc.) zur Leistungs- und Steuerungsführung elektrisch kontaktiert werden können.
  • Der Teilbereich des Lead-Frames 1, welcher die Last-Source Verbindung 11 bildet, ist derart geformt, dass er die Kontaktierung der Leistungshalbleiter 2 bereitstellen kann, z.B. durch eine oder mehrere entsprechende Krümmungen, wie in den Figuren zu sehen. Dadurch kann ein hohler Zwischenraum gebildet werden, in den bei Montage eine Verguss- oder Moldmasse eingebracht werden kann, welche zur elektrischen Isolierung und zur mechanischen Stabilisierung der Komponenten dient.
  • Um eine (elektrische) Signalführung zwischen Leistungshalbleitern 2 und Gate-Source- und Kelvin-Source-Anschlüssen 13, 14 über die Last-Source Verbindung 11 bereitzustellen, ist ein Trägerelement 10 aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen. Das Material, aus dem das Trägerelement 10 gebildet ist, ist vorteilhaft Glas, kann aber auch ein Kunststoff oder eine Keramik sein. Wichtig ist, dass durch die Dicke des Trägerelements 10 die Isolationsstrecken zwischen den verschiedenen Potentialen (Lead-Frame 1 und DBC-Leiterplatte 3) eingehalten werden.
  • Das Trägerelement 10 ist entweder oberhalb der Last-Source Verbindung 11 ( 1 bis 6) oder unterhalb der Last-Source Verbindung 11, also zwischen Leistungshalbleiter 2 und Last-Source Verbindung 11 (8 und 9), angeordnet.
  • Auf dem Trägerelement 10 sind stets zwei Leiterbahnen 6 (eine führt Plus und eine führt Minus) zur Signalführung zwischen den Leistungshalbleitern 2 und dem Gate-Source-Anschluss 13 und den Leistungshalbleitern 2 und dem Kelvin-Source-Anschluss 14 vorgesehen, also elektrisch leitende Verbindungen. Die Leiterbahnen 6 sind mittels eines geeigneten Verfahrens (abhängig vom Material) auf das Trägerelement 10 aufgebracht.
  • Durch das erfindungsgemäße Bereitstellen des Trägerelements 10 werden die bisher auf der Leiterplatte geführten Leistungs- und Steuerungsführungen auf einem Lead-Frame 1 mit mehreren Lagen geführt. Dies ermöglicht eine dreidimensionale Leistungs- und Signalführung innerhalb des Packages (ummoldetes Leistungselektronikmodul) ohne die Nutzung der DBC 3 für die Signalkontaktierung und ohne einen Kompromiss in der Anordnung/Verbindung der Leistungshalbleiter 2 zu benötigen, da diese nunmehr optimal auf der DBC 3 angeordnet werden können.
  • Das Trägerelement 10 kann unterschiedlich ausgeführt sein, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
  • Das Trägerelement 10 ist mit den drauf angeordneten Leiterbahnen 6 zwischen der Last-Source Verbindung 11 und der Drain-Source Verbindung 12, sowie zwischen den Leistungshalbleitern 2 geführt. In den in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen ist es mittig zwischen den Leistungshalbleitern 2 geführt, bildet also eine gerade Linie. Ein erster Endbereich des Trägerelements 10 ist in etwa auf Höhe der Gate- und Kelvin-Source-Anschlüsse 13, 14 im Bereich der Last-Source Verbindung 11 angeordnet, und ein zweiter Endbereich davon endet vorteilhaft vor der Drain-Source Verbindung 12.
  • Um die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 6 und den Leistungshalbleitern 2 sowie den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen 13 und 14 herzustellen, kann in einer Ausführung das Trägerelement 10 bis zu den Leistungshalbleitern 2 und zu den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen 13 und 14 geführt werden, wie in 1 bis 3 und 5 bis 8 dargestellt. In diesen Ausführungen sind Teilbereiche des Trägerelements 10 wie die Teilbereiche der Last-Source Verbindung 11 (aber neben diesen) mittels einer oder mehreren Krümmungen oder Bögen zu den Leistungshalbleitern 2 geführt. Außerdem ist ein Teilbereich des Trägerelements 10 an seinem ersten Endbereich zu den entsprechenden Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen 13 und 14 geführt. Der elektrische Kontakt erfolgt lediglich im Bereich der Anschlüsse auf der Unterseite des Trägerelements 10 z.B. mittels Vias 101 (Durchgangslöchern), um eine leitende Verbindung herzustellen.
  • In der in 1 bis 3 gezeigten Ausführung sind die beiden (Plus und Minus) führenden Leiterbahnen 6 auf derselben Seite des Trägerelements 10 angeordnet, bevorzugt auf der Seite des Trägerelements 10, das nicht zu den Leistungshalbleitern 2 weist.
  • In der in 5 bis 7 gezeigten Ausführung ist jeweils eine der Leiterbahnen 6 auf einer Seite des Trägerelements 10 angeordnet, sie sind also einander über das Trägerelement 10 gegenüberliegend angeordnet, wie in 7 schematisch dargestellt. In dieser Ausführung ist ein zusätzliches elektrisch isolierendes Element 7, kurz Isolationselement 7, nötig, welches zwischen Trägerelement 10 und Last-Source Verbindung 11 vorgesehen ist. Dieses Isolationselement 7 verhindert einen direkten elektrischen Kontakt und damit Kurzschluss und kann ebenfalls aus Glas, Keramik oder Kunststoff gebildet sein. Durch die Anordnung auf beiden Seiten des Trägerelements 10 wird eine gleichmäßigere Einkopplung von Störungen erreicht.
  • Um die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 6 und den Leistungshalbleitern 2 sowie den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen 13 und 14 herzustellen, können in einer weiteren Ausführung Wirebonds 5 verwendet werden, wie in 4 und 9 dargestellt. Der Unterschied der Ausführungen besteht darin, dass in der in 4 gezeigten Ausführung das Trägerelement 10 oberhalb der Last-Source Verbindung 11 angeordnet ist, während in der in 9 gezeigten Ausführung das Trägerelement 10 unterhalb der Last-Source Verbindung 11 angeordnet ist.
  • Der Vorteil einer Leitungsführung auf der Oberseite des Trägerelements 10 ist, dass es so auf dem Source-Teil (der Last-Source Verbindung 11) des Lead-Frames 1 geführt werden kann, ohne dass die Isolation beeinträchtigt wird. Das Trägerelement 10 wird an den Stellen einer Berührung 102 mit dem Source-Teil (der Last-Source Verbindung 11) des Lead-Frames 1 befestigt, um eine stabile Leitungsführung in der Prozesskette zu ermöglichen. Die Befestigung kann durch Klebstoffe oder Sinter-/ Löt-/Schweißverbindungen erfolgen.
  • In allen Ausführungen ist vorteilhaft im Bereich der DBC 3 und zwischen der DBC 3 und dem Lead-Frame 1 eine elektrisch isolierende Masse vorgesehen, die auch als Wärmeableitung dienen kann. Eine solche Verguss- oder Moldmasse (auch als Mold Compound bezeichnet) kann ein Harz oder eine andere Masse sein, die während des Herstellungsprozesses in das Leistungselektronikmodul eingebracht und ausgehärtet wird. Die Verguss- oder Moldmasse fließt dabei in alle freien Bereiche, also auch in die Zwischenbereiche zwischen die Teilbereiche des Lead-Frames 1 und die Leistungshalbleiter 2, sowie die DBC 3. Diese Verguss- oder Moldmasse dient auch als mechanische Stabilisierung der einzelnen Komponenten bei der Montage.
  • Durch den Entfall der Signalleitungen (diese werden durch das Trägerelement 10 mit Leiterbahnen 6 und ggf. zusätzliche Wirebonds 5 übernommen), welche üblicherweise auf der DBC 3 geführt werden, wird eine optimale Verteilung der Leistungshalbleiter 2 auf der kompletten Fläche der DBC 3 ermöglicht. Somit kann eine optimale thermische Anbindung bei maximal möglicher Halbleiterfläche in dem Modul erreicht werden.
  • Die Bezeichnung Leistungshalbleiter 2 umfasst sowohl einzelne topologische Schalter wie auch Halbbrücken/B6-Brücken. Das Lead-Frame 1 ist vorteilhaft aus einem elektrisch leitfähigen Metallblech gebildet, welches zum Stanzen und Biegen geeignet ist.
  • Ein Leistungselektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektromotors eines mittels Akkumulator Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Leistungselektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
  • DC/DC-Wandler und Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
  • Anwendung findet die beschriebene Inverteranordnung beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere eine elektrisch angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lead-Frame
    10
    Trägerelement aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Glasträger
    101
    Via
    102
    Stellen einer Berührung von 10 und 11
    11
    Last-Source
    12
    Drain-Source
    13
    Gate-Source
    14
    Kelvin-Source
    2
    Leistungshalbleiter
    3
    DCB-Leiterplatte
    31
    oberste Lage der 3
    5
    Wirebonds
    6
    Leitungen zur Signalführung; Leiterbahnen
    7
    elektrisch isolierendes Element (Isolationselement)

Claims (12)

  1. Leistungselektronikmodul, aufweisend - eine durchgehende DBC-Leiterplatte (3) mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage (31) davon angeordneten Leistungshalbleitern (2), und - ein oberhalb der Leistungshalbleiter (2) angeordnetes Lead-Frame (1) zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung, wobei das Lead-Frame (1) aufweist: - eine Drain-Source Verbindung (12), die mit einem Drain-Source-Kontakt der DBC-Leiterplatte (3) elektrisch kontaktierbar ist, und - eine der Drain-Source Verbindung (12) über die Leistungshalbleiter (2) gegenüberliegende Last-Source Verbindung (11), die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter (2) kontaktierbar ist, und - mindestens einen Gate-Source-Anschluss (13) und einen Kelvin-Source-Anschluss (14), wobei ein Trägerelement (10) aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dem Leiterbahnen (6) vorgesehen sind, in einem Bereich zwischen der Last-Source Verbindung (11) und der Drain-Source Verbindung (12) zwischen den Leistungshalbleitern (2) geführt ist.
  2. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei Wirebonds (5) vorgesehen sind, welche die Leiterbahnen (6) des Trägerelements (10) mit den Leistungshalbleitern (2) und/oder den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen (13, 14) elektrisch verbinden.
  3. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägerelement (10) derart gebildet ist, dass es zu den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen (13, 14) und/oder zu den Leistungshalbleitern (2) geführt ist, so dass die Leiterbahnen (6) eine elektrische Kontaktierung zwischen den Leistungshalbleitern (2) und/oder den Gate- und Kelvin-Source-Anschlüssen (13, 14) bereitstellen.
  4. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 3, wobei das Trägerelement (10) derart gebildet ist, dass eine der Leiterbahnen (6) auf einer der DBC-Leiterplatte (3) zugewandten ersten Seite des Trägerelements (10) und die andere Leiterbahn (6) auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Trägerelements (10) angeordnet ist.
  5. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 4, wobei zwischen der Last-Source Verbindung (11) und der Leiterbahn (6), die der Last-Source Verbindung (11) zugewandt ist, ein elektrisch isolierendes Element (7) vorgesehen ist.
  6. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (10) mittig zwischen den Leistungshalbleitern (2) geführt ist.
  7. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (10) oberhalb oder unterhalb der Last-Source Verbindung (11) des Lead-Frames (1) geführt ist.
  8. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (10) aus Glas, Kunststoff oder Keramik gebildet ist.
  9. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die DBC Leiterplatte (3), die Leistungshalbleiter (2) und die im Bereich der DBC-Leiterplatte (3) angeordneten Teile des Trägerelements (10) und des Lead-Frames (1) von einer Vergussmasse (4) umgeben sind.
  10. Verwendung eines Leistungselektronikmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
  11. Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Leistungselektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  12. Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 11.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080224285A1 (en) 2007-03-12 2008-09-18 Lim Seung-Won Power module having stacked flip-chip and method of fabricating the power module
DE102018123857A1 (de) 2017-09-29 2019-04-04 Infineon Technologies Ag Halbleiterchippassage mit Halbleiterchip und Anschlussrahmen, die zwischen zwei Substraten angeordnet sind

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