DE102022211620A1 - Power module with top contact - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (14), einen Schaltungsträger (12), an den die Halbleiterschaltelemente (14) unterseitig angebunden sind, eine Verdrahtung (16a,b), an die die Halbleiterschaltelemente (14) oberseitig angebunden sind, mehrere Leistungsanschlüsse (18a,b) zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) sich ausgehend von der Verdrahtung (16a,b) entlang einer zu einer Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt.The present invention relates to a power module (10) for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising a plurality of semiconductor switching elements (14) for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements (14), a circuit carrier (12) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the underside, wiring (16a,b) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the top side, a plurality of power connections (18a,b) for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections (18a,b) extends from the wiring (16a,b) along a direction that is substantially orthogonal to an upper side (121) of the circuit carrier (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to a power module for a power converter, in particular for an inverter, for supplying current to an electric axle drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a method for producing a power module for a power converter, a corresponding power converter, in particular an inverter, a corresponding electric axle drive with such a power converter and a corresponding vehicle with such an electric axle drive.

Im Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge, bspw. batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles) und Hybridfahrzeuge, bekannt. Diese werden ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs üblicherweise ein mit einer Leistungselektronik ausgestatteter, sog. Wechselrichter geschaltet.Electric vehicles, such as battery-powered vehicles (Battery Electric Vehicles) and hybrid vehicles, are known in the state of the art. These are powered exclusively or in a supporting manner by one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles with electrical energy, the electric vehicles include electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct current sources. However, the electric machines usually require alternating current. Therefore, a so-called inverter equipped with power electronics is usually connected between a battery and an electric machine (E-machine) of an electric vehicle.

Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.Such inverters usually comprise semiconductor switching elements, which are typically made of transistors, such as MOSFETs or IGBTs. It is known to design the semiconductor switching elements as so-called half-bridges, which have a high-side device and a low-side device. This high-side or low-side device comprises one or more semiconductor switching elements connected in parallel, which are specifically controlled during operation of the inverter in order to generate several phase currents of an AC current that are offset from one another in time from a DC current fed into the input side of the half-bridges, whereby the phase currents are each variable over time and generally assume a sinusoidal shape.

Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs und weisen jeweils mehrere Anschlüsse zum Beaufschlagen des jeweiligen Halbleiterschaltelements mit einem Schalterstrom (Leistungsanschlüsse) sowie zum Einprägen eines Schaltsignals (Steueranschluss), um den Schalterstrom durchzulassen bzw. zu sperren. Zur Übertragung des Schaltsignals werden Signalpins verwendet, die einerseits mit dem Steueranschluss und andererseits mit einer Steuereinrichtung (bzw. Treibereinrichtung) verbunden sind, die eine mit Treiberbauteilen bestückte Leiterplatte umfasst. Die Halbleiterschaltelemente können in einer stromisolierenden Schutzverkleidung aufgenommen sein.The semiconductor switching elements are preferably transistors such as MOSFETs or IGBTs and each have several connections for applying a switching current to the respective semiconductor switching element (power connections) and for impressing a switching signal (control connection) in order to pass or block the switching current. Signal pins are used to transmit the switching signal, which are connected on the one hand to the control connection and on the other hand to a control device (or driver device) which comprises a circuit board equipped with driver components. The semiconductor switching elements can be accommodated in a current-insulating protective casing.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen besteht der Nachteil, dass durch die äußeren elektrischen Kontakte an die Leistungsanschlüsse ein grö-ßerer Platzbedarf bei den weiteren Bauteilen erforderlich ist, damit das Leistungsmodul auch kontaktiert werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese äu-ßeren elektrischen Kontakte bei den bekannten Leistungsmodulen zu Lasten der der Niederinduktivität gehen.The disadvantage of the power modules known from the state of the art is that the external electrical contacts on the power connections require more space for the other components so that the power module can also be contacted. A further disadvantage is that these external electrical contacts in the known power modules come at the expense of the low inductance.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide a power module for a power converter, in particular an inverter, in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, das Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.This object is achieved according to the invention by the power module, the method for producing a power module, the power converter, the electric axle drive and the vehicle according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention emerge from the dependent patent claims.

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.The invention relates to a power module for a power converter, in particular an inverter, for operating an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The power module comprises a plurality of semiconductor switching elements for feeding in an input current and for generating an output current based on the fed-in input current by switching the semiconductor switching elements. The power converter is preferably a DC/AC inverter. In this case, the input current is a DC current provided by a DC voltage source, the output current being an AC current with multiple phase currents. Alternatively, the power converter can be a DC/DC rectifier. In this case, the input current is a DC input current provided by a DC voltage source, the output current being a DC output current different from the DC input current, which is preferably supplied to a vehicle battery for charging it.

Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren, wie MOSFETs und/oder IGBTs. Das den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke, etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).The semiconductor switching elements are preferably transistors, such as MOSFETs and/or IGBTs. The semiconductor material underlying the semiconductor switching elements is preferably silicon or a so-called semiconductor with a large band gap, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).

Das Leistungsmodul weist ferner einen Schaltungsträger, an den die Halbleiterschaltelemente unterseitig angebunden sind, eine Verdrahtung, an die die Halbleiterschaltelemente oberseitig angebunden sind, sowie mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms auf.The power module further comprises a circuit carrier to which the semiconductor switching elements are connected on the underside, a wiring to which the semiconductor switching elements are connected on the upper side, and a plurality of power connections for feeding in the input current and/or for tapping the output current.

Mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse erstreckt sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung. Mithin ist der eine der mehreren Leistungsanschlüsse im Wesentlichen senkrecht auf einer Oberseite der Verdrahtung vorgesehen. Die Verdrahtung stellt vorzugsweise einen elektrischen Kontakt zwischen den Halbleiterschaltementen und den Leistungsanschlüssen derart bereit, dass der Eingangsstrom eingespeist bzw. der Ausgangsstrom abgegriffen werden kann.At least one of the plurality of power connections extends from the wiring along a direction that is substantially orthogonal to a top side of the circuit carrier. Thus, one of the plurality of power connections is provided substantially perpendicularly on a top side of the wiring. The wiring preferably provides an electrical contact between the semiconductor circuit elements and the power connections such that the input current can be fed in or the output current can be tapped off.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Verfahren umfasst (a) Unterseitiges Anbinden mehrerer Halbleiterschaltelemente zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente an einen Schaltungsträger, (b) Oberseitiges Anbinden der mehreren Halbleiterschaltelemente an eine Verdrahtung, (c) Anbinden mehrerer Leistungsanschlüsse, an die Verdrahtung, zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt. Das Verfahren kann außerdem (d) Verkapseln, bspw. durch Aufbringen einer Vergussmasse, des Leistungsmoduls mit einer Verkapselung derart aufweisen, dass lediglich Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse an einer Verkapselungsoberseite der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden können, vorzugsweise teilweises Abtragen der Verkapselung derart, dass die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse freigelegt werden.The invention also relates to a method for producing a power module for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The method comprises (a) connecting a plurality of semiconductor switching elements to a circuit carrier on the lower side for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements, (b) connecting the plurality of semiconductor switching elements to a wiring on the upper side, (c) connecting a plurality of power connections to the wiring for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections extends from the wiring along a direction that is substantially orthogonal to an upper side of the circuit carrier. The method may further comprise (d) encapsulating, for example by applying a potting compound, the power module with an encapsulation such that only end regions of the plurality of power terminals can be electrically contacted on an encapsulation top side of the encapsulation, preferably partially removing the encapsulation such that the end regions of the plurality of power terminals are exposed.

Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Leistungsmodul, bzw. das durch das erfindungsgemäßer Verfahren erhältliche Leistungsmodul, nicht nur seitlich, d.h. parallel zu der Ebene des Schaltungsträgers, sondern auch von der Oberseite kontaktiert werden kann. Bspw. und vorzugsweise können die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms an der Oberseite des Leistungsmoduls und die Leistungsanschlüsse zum Abgreifen des Ausgangsstroms seitlich angebracht werden. Weiter bspw. und vorzugsweise können die Leistungsanschlüsse zum Abgreifen des Ausgangsstroms an der Oberseite des Leistungsmoduls und die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms seitlich angebracht werden. Durch die erzielte verbesserte Oberflächenkontaktierbarkeit kann eine kompaktere Bauform realisiert werden, bei der die Kontaktierung des Leistungsmoduls mit Ausnahme der Unterseite von allen Seiten erfolgen kann. Weitere Bauteile können bspw. unmittelbar an der Oberseite des Leistungsmoduls angeordnet werden und mit diesem über kurze Anschlüsse verbunden werden. Darüber hinaus kann eine niederinduktive Anbindung an das Leistungsmodul bewerkstelligt werden. Eine gleichmäßig verteilte Oberflächenkontaktierung, insbesondere entlang der Oberseite, kann außerdem als Wärmespeicher und Wärmespreizungselement dienen und zu so neben einer verbesserten räumlichen Nutzung des Leistungsmoduls auch eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen, ohne dass dabei bspw. eine zusätzliche Kühlvorrichtung eingesetzt werden muss. This has the advantage that the power module according to the invention, or the power module obtainable by the method according to the invention, can be contacted not only from the side, i.e. parallel to the plane of the circuit carrier, but also from the top. For example and preferably, the power connections for feeding in the input current can be attached to the top of the power module and the power connections for tapping the output current can be attached to the side. Furthermore, for example and preferably, the power connections for tapping the output current can be attached to the top of the power module and the power connections for feeding in the input current can be attached to the side. The improved surface contactability achieved makes it possible to achieve a more compact design in which the power module can be contacted from all sides with the exception of the bottom. Other components can, for example, be arranged directly on the top of the power module and connected to it via short connections. In addition, a low-inductive connection to the power module can be achieved. A uniformly distributed surface contact, especially along the top side, can also serve as a heat storage and heat spreading element and thus enable not only improved spatial use of the power module but also improved heat dissipation without the need for an additional cooling device, for example.

Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich zwei der mehreren Leistungsanschlüsse sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung, wobei die zwei der mehreren Leistungsanschlüsse mit Stromschienen verbunden sind. Die Stromschienen verbinden dabei vorzugsweise Zwischenkreiskondensatoren mit den Leistungsanschlüssen zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Leistungselektronik. Darüber hinaus können die Stromschienen eine pluspolige Stromschiene und eine minuspolige Stromschiene umfassen. Im Fall, dass der Stromrichter als DC/AC-Wechselrichter ausgebildet ist, sind die Stromschienen als DC-Stromschienen zum Leiten des DC-Eingangsstroms ausgelegt. Die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene sind weiter vorzugsweise flächig ausgebildet und überlappen einander. Damit liegen die beiden ersten Stromschienen parallel zueinander vor und sind, mit Blickrichtung senkrecht auf deren Flächen, voneinander versetzt. Mehr bevorzugt sind die Stromschienen mit einer Kühlvorrichtung derart versehen, dass die Kühlvorrichtung die Oberfläche der Verkapselung kühlt in welche das erfindungsgemäße Leistungsmodul aufgenommen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlvorrichtung das Leistungsmodul auch von der Oberseite her kühlen kann. Bei einer gleichzeitigen Bereitstellung eines kühlbaren Schaltungsträgers, bspw. mittels einer an der Unterseite des Schaltungsträger angebrachten Kühlvorrichtung, kann das Leistungsmodul von zwei Seiten, der Unterseite und der Oberseite, gekühlt werden.According to one embodiment, two of the multiple power connections extend from the wiring along a direction that is essentially orthogonal to a top side of the circuit carrier, wherein the two of the multiple power connections are connected to busbars. The busbars preferably connect intermediate circuit capacitors to the power connections for feeding the input current into the power electronics. In addition, the busbars can comprise a positive-pole busbar and a negative-pole busbar. In the case that the power converter is designed as a DC/AC inverter, the busbars are designed as DC busbars for conducting the DC input current. The positive-pole busbar and the negative-pole busbar are further preferably designed to be flat and overlap one another. The first two busbars are thus parallel to one another and are offset from one another when viewed perpendicularly to their surfaces. More preferably, the busbars are provided with a cooling device such that the cooling device cools the surface of the encapsulation in which the power module according to the invention is accommodated. This has the advantage that the cooling device can also cool the power module from the top. If a coolable circuit carrier is provided at the same time, e.g. by means of a cooling device attached to the underside of the circuit carrier, The power module can be cooled from two sides, the bottom and the top.

Vorzugsweise ist der Schaltungsträger als Leiterplatte oder Keramiksubstrat ausgebildet. Mehr bevorzugt ist der Schaltungsträger mit einer Kühlvorrichtung bereitgestellt.Preferably, the circuit carrier is designed as a printed circuit board or ceramic substrate. More preferably, the circuit carrier is provided with a cooling device.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Verdrahtung als Stanzgitter und/oder als Bonddrähte ausgebildet, vorzugsweise ist die Verdrahtung über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitender Klebeverbindung an die Halbleiterschaltelemente, und ggf. den Schaltungsträger, angebunden. Ein oder mehrere Stanzgitter (bzw. Leadframe) bzw. Bonddrähte, insbesondere Bändchenbonds bzw. Wirebonds, werden dabei auf die Oberseite der Halbleiterschaltelemente und, ggf. den Schaltungsträger, aufgebracht. Es ist klar, dass das Stanzgitter bzw. die Bonddrähte nicht durchgängig vorliegen müssen, sondern auch mehrere voneinander getrennte Bereiche der Halbleiterschaltelemente und, ggf. des Schaltungsträgers, kontaktieren können. Das Anbinden an den Halbleiterschaltelemente und, ggf. den Schaltungsträger, kann durch eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitender Klebeverbindung an die Halbleiterschaltelemente, und ggf. den Schaltungsträger, bewerkstelligt werden. Dadurch wird das Herstellungsverfahren weiter vereinfacht.According to one embodiment, the wiring is designed as a lead frame and/or as bonding wires. Preferably, the wiring is connected to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection. One or more lead frames or bonding wires, in particular ribbon bonds or wire bonds, are applied to the top of the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. It is clear that the lead frame or the bonding wires do not have to be continuous, but can also contact several separate areas of the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. The connection to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier can be achieved by a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. This further simplifies the manufacturing process.

Gemäß einer Ausführungsform ist weist das Leistungsmodul eine Verkapselung auf, in welcher das Leistungsmodul derart aufgenommen ist, dass lediglich Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse an einer Verkapselungsoberfläche der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden können. Mithin ist das gesamte Leistungsmodul, bis auf die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse verkapselt, vorzugsweise in der Verkapselung stoffschlüssig aufgenommen. Bei der Verkapselung kann es sich um eine Umspritzung oder eine Vergussmasse, bspw. aus einem Duroplast, handeln, in welche das Leistungsmodul aufgenommen ist. Vorzugsweise wird ein stromisolierendes Spritzgussmaterial, bspw. ein stromisolierender Duroplast, verwendet. Mehr bevorzugt weist das Spritzgussmaterial, bspw. Duroplast, eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf, um die Kühlung des Leistungsmoduls zu ermöglichen. Noch mehr bevorzugt weist das Spritzgussmaterial elastische Eigenschaften auf. Dem Fachmann sind geeignete Spritzgussmaterialien mit stromisolierenden Eigenschaften und einer ggf. ausreichenden Wärmeleitfähigkeit und/oder elastischen Eigenschaften geläufig. Die Verkapselung, vorzugsweise eine Umspritzung oder eine Vergussmasse, bildet dabei im Wesentlichen eine Quaderform aus, wobei der Schaltungsträger derart in die im Wesentlichen quaderförmige Verkapselung aufgenommen ist, dass dieser im Wesentlichen parallel zu einer Verkapselungsoberseite und einer Verkapselungsunterseite der im Wesentlichen quaderförmigen Verkapselung vorliegt, wobei an der Oberseite des Schaltungsträgers die Halbleiterschaltelemente angeordnet sind. Durch die Verkapselung des Leistungsmoduls, mit Ausnahme der Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse, kann ein bestmöglicher mechanischer Schutz gewährleistet werden.According to one embodiment, the power module has an encapsulation in which the power module is accommodated in such a way that only end regions of the multiple power connections can be electrically contacted on an encapsulation surface of the encapsulation. The entire power module, except for the end regions of the multiple power connections, is therefore encapsulated, preferably held in the encapsulation in a material-locking manner. The encapsulation can be an overmolding or a potting compound, e.g. made of a thermosetting plastic, in which the power module is accommodated. Preferably, a current-insulating injection molding material, e.g. a current-insulating thermosetting plastic, is used. More preferably, the injection molding material, e.g. thermosetting plastic, has sufficient thermal conductivity to enable the cooling of the power module. Even more preferably, the injection molding material has elastic properties. The person skilled in the art is familiar with suitable injection molding materials with current-insulating properties and, if appropriate, sufficient thermal conductivity and/or elastic properties. The encapsulation, preferably an overmolding or a potting compound, essentially forms a cuboid shape, wherein the circuit carrier is accommodated in the essentially cuboid-shaped encapsulation in such a way that it is essentially parallel to an encapsulation top side and an encapsulation bottom side of the essentially cuboid-shaped encapsulation, wherein the semiconductor switching elements are arranged on the top side of the circuit carrier. The best possible mechanical protection can be ensured by encapsulating the power module, with the exception of the end regions of the multiple power connections.

Geeignete Duroplaste umfassen bspw. Phenolharze, Polyurethane, Harnstoff- und Melaminharze, Polyesterharze, Epoxidharze, und Silikone. Vorzugsweise kann der Duroplast durch darin eingebettete Fasern, bspw. Glasfasern und/oder Carbonfasern, weiter verstärkt werden. Mehr bevorzugt bilden die eingebetteten Fasern ein flächiges Textil, bspw. ein Netz oder eine Matte, oder ein räumliches Textil, bspw. einen Schlauch.Suitable thermosets include, for example, phenolic resins, polyurethanes, urea and melamine resins, polyester resins, epoxy resins, and silicones. Preferably, the thermoset can be further reinforced by fibers embedded therein, e.g. glass fibers and/or carbon fibers. More preferably, the embedded fibers form a flat textile, e.g. a net or a mat, or a three-dimensional textile, e.g. a hose.

Gemäß einer Ausführungsform können die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse nach teilweisem Abtragen der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden. Dies beschreibt den Fall, dass das Leistungsmodul bei der Herstellung anfänglich vollständig, einschließlich der Endbereiche, verkapselt wird. In einem anschließenden Schritt wird die Verkapselung abgetragen, bspw. durch mechanische Bearbeitung oder einen Laser, und dadurch die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse freigelegt.According to one embodiment, the end regions of the multiple power connections can be electrically contacted after partial removal of the encapsulation. This describes the case where the power module is initially completely encapsulated during production, including the end regions. In a subsequent step, the encapsulation is removed, for example by mechanical processing or a laser, and the end regions of the multiple power connections are thereby exposed.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsmodul ferner ein elektrisch leitfähiges Element auf, welches sich ausgehend von dem Schaltungsträger entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt und welches dazu angepasst ist einen Signalpin zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente zu führen. Das elektrisch leitfähige Element kann hierzu den Signalpin (darin) aufnehmen und/oder diesen entlang einer Oberfläche des elektrisch leitfähigen Elements leiten. Der Signalpin ist dabei vorzugsweise an einem Ende davon mit der Verdrahtung zum Übertragen von Steuersignalen und mit einem anderen Ende davon mit einer Treibereinrichtung elektrisch verbunden. Das elektrisch leitfähige Element kann über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung an dem Schaltungsträger befestigt werden. Dadurch kann der Signalpin gegenüber mechanischer Belastung, bspw. einem Verbiegen oder Zerbrechen, bspw. bei der Herstellung des Leistungsmoduls, geschützt werden.According to one embodiment, the power module further comprises an electrically conductive element which extends from the circuit carrier along a direction substantially orthogonal to a top side of the circuit carrier and which is adapted to guide a signal pin for transmitting control signals for controlling the semiconductor switching elements. For this purpose, the electrically conductive element can accommodate the signal pin (in it) and/or guide it along a surface of the electrically conductive element. The signal pin is preferably electrically connected at one end thereof to the wiring for transmitting control signals and at another end thereof to a driver device. The electrically conductive element can be attached to the circuit carrier via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection. This allows the signal pin to be protected against mechanical stress, e.g. bending or breaking, e.g. during production of the power module.

Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Element als Abstandshalter bzw. Spacer, Stehhülse, oder verschlossene Hohlhülse ausgebildet. Der Abstandshalter kann dabei den Signalpin an einer Oberfläche davon bis bspw. zur Verkapselungsoberseite leiten bzw. führen. Die Stehhülse oder verschlossene Hohlhülse kann den Signalpin darin aufnehmen und diesen bis bspw. zur Verkapselungsoberseite leiten bzw. führen. Der Abstandshalter, die Stehhülse oder verschlossene Hohlhülse kann hierbei über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung an dem Schaltungsträger angebracht werden. Hierdurch kann ein verbesserter Schutz des Signalpins sichergestellt werden.According to one embodiment, the electrically conductive element is designed as a spacer, standing sleeve, or closed hollow sleeve. The spacer can hold the signal pin on one surface thereof up to, for example, the The standing sleeve or closed hollow sleeve can accommodate the signal pin and guide or lead it to the top of the encapsulation. The spacer, the standing sleeve or closed hollow sleeve can be attached to the circuit carrier using a solder joint, sinter joint or electrically conductive adhesive joint. This can ensure improved protection of the signal pin.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 8 eines oder mehrere des (a) Unterseitigen Anbindens der mehrerer Halbleiterschaltelemente (14) an den Schaltungsträger, des (b) Oberseitigen Anbindens der mehreren Halbleiterschaltelemente an die Verdrahtung, und des (c) Anbringens der mehreren Leistungsanschlüsse über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung, vorzugsweise wobei zwei oder drei der Schritte (a), (b), und (c) gleichzeitig erfolgen. Dadurch kann das Herstellungsverfahren weiter vereinfacht werden.According to one embodiment, the method 8 comprises one or more of (a) connecting the plurality of semiconductor switching elements (14) to the circuit carrier on the underside, (b) connecting the plurality of semiconductor switching elements to the wiring on the top side, and (c) attaching the plurality of power connections via a solder connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection, preferably wherein two or three of the steps (a), (b), and (c) take place simultaneously. This allows the manufacturing process to be further simplified.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsmodul als Halbrückenmodul mit einer Modulhighside und einer Modullowside ausgebildet, wobei die Modulhighside und die Modullowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. In diesem Fall kann das Halbbrückenmodul selbst als eine vollständige Halbbrücke fungieren. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke zu bilden. Die Modulhighsides sind zueinander parallelgeschaltet, um eine Highside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. Gleichzeitig sind die Modullowsides zueinander parallelgeschaltet, um eine Lowside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. In einem Stromrichter, insbesondere einem Wechselrichter, können mehrere, beispielsweise drei, solche kombinierten Halbbrücken verwendet werden, wobei jede kombinierte Halbbrücke eine Phaseneinheit bildet, an deren Stromausgang einer von mehreren Phasenströmen des AC-Stroms erzeugt wird.According to a further embodiment, the power module is designed as a half-bridge module with a module high side and a module low side, wherein the module high side and the module low side each comprise one or more semiconductor switching elements connected in parallel. In this case, the half-bridge module itself can function as a complete half-bridge. Alternatively, several half-bridge modules can be combined with one another to form a half-bridge that is expanded in terms of the maximum amount of current that can be carried. The module high sides are connected in parallel to one another to form a high side of the combined half bridge. At the same time, the module low sides are connected in parallel to one another to form a low side of the combined half bridge. In a power converter, in particular an inverter, several, for example three, such combined half bridges can be used, wherein each combined half bridge forms a phase unit, at the current output of which one of several phase currents of the AC current is generated.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Leistungsmodul, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention further relates to a power converter for supplying current to an electric axle drive, in particular an electric machine installed in the latter with such a power module, a corresponding electric axle drive and a vehicle with such an electric axle drive. The power converter can have an inverter or a rectifier. This results in the advantages already described in connection with the power module according to the invention also for the power converter according to the invention, the electric axle drive according to the invention and the vehicle according to the invention.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung betrifft der Ausdruck wie eine im Wesentlichen orthogonale Richtung" eine Richtung in Bezug auf eine durch das Leistungsmodul definierte Ebene, insbesondere den Schaltungsträger. Ausdrücke wie „Oberseite“ und „Unterseite“ bzw. „oberseitig“ und „unterseitig“ betreffen gegenüberliegende Seiten des genannten Körpers, wobei diese Seiten im Wesentlichen parallel zu dem Leistungsmodul, insbesondere dem Schaltungsträger, vorliegen. Ausdrücke wie „im Wesentlichen orthogonal“ bzw. „im Wesentlichen parallel“ betreffen eine Abweichung von weniger als ±10°, vorzugsweise von weniger als ±2°, von der genannten Richtung. Ausdrücke wie „im Wesentlichen eine Quaderform” bzw. „im Wesentlichen quaderförmig“ betreffen einen sechsflächigen Körper, wobei an angrenzenden Flächen Ecken ausgebildet sind, die jedoch auch abgerundet sein können. Gegenüberliegende Flächen, bspw. Oberseite und Unterseite, des „im Wesentlichen quaderförmigen“ Körpers liegen nicht notwendigerweise parallel zueinander vor, sondern können auch eine Abweichung von weniger als ±5°, vorzugsweise von weniger als ±1 °, von der genannten Richtung aufweisen. Eine Fläche des „im Wesentlichen quaderförmigen“ Körpers kann auch eine Hyperfläche sein, wobei die Fläche vorzugsweise planar ist.In the context of the present disclosure, the expression "such as a substantially orthogonal direction" refers to a direction in relation to a plane defined by the power module, in particular the circuit carrier. Expressions such as "top" and "bottom" or "upper side" and "lower side" refer to opposite sides of the body mentioned, wherein these sides are substantially parallel to the power module, in particular the circuit carrier. Expressions such as "substantially orthogonal" or "substantially parallel" refer to a deviation of less than ±10°, preferably less than ±2°, from the direction mentioned. Expressions such as "substantially cuboidal" or "substantially cuboidal" refer to a hexahedral body, wherein corners are formed on adjacent surfaces, but these corners can also be rounded. Opposite surfaces, e.g. top and bottom, of the "substantially cuboidal" body are not necessarily parallel to one another, but can also have a deviation of less than ±5°, preferably less than ±1°, from the direction mentioned. A surface of the “essentially cuboid” body can also be a hypersurface, whereby the surface is preferably planar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using embodiments shown in the figures.

Es zeigen:

  • 1 a-b eine schematische Ansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht,
  • 2a-h eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht und ggf. Perspektivansicht,
  • 3a-b eine schematische Darstellung der Verdrahtung der Halbleiterschaltelemente durch Bändchenbonds in Perspektivansicht,
  • 4a-b eine schematische Darstellung der Verdrahtung der Halbleiterschaltelemente durch Stanzgitter in Perspektivansicht, und
  • 5 eine schematische Darstellung der Bereitstellung eines elektrisch leitendes Elements auf einem Schaltungsträger.
Show it:
  • 1 a -b a schematic view of a power module according to an embodiment in a side sectional view,
  • 2a -h a schematic representation of a method for producing a power module according to a further embodiment in a side sectional view and possibly a perspective view,
  • 3a -b a schematic representation of the wiring of the semiconductor switching elements by ribbon bonds in perspective view,
  • 4a -b a schematic representation of the wiring of the semiconductor switching elements by punched grid in perspective view, and
  • 5 a schematic representation of the provision of an electrically conductive element on a circuit carrier.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Identical objects, functional units and comparable components are designated with the same reference symbols throughout the figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly indicates otherwise.

1a und 1b zeigen ein Leistungsmodul 10 gemäß einer Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht. Das Leistungsmodul 10 ist zum Einsatz für einen Stromrichter ausgebildet. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter, der einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa Batterie) bereitgestellten DC-Strom in einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen erzeugt. Alternativ ist der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter, der eine DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung umwandelt. 1a and 1b show a power module 10 according to an embodiment in a side sectional view. The power module 10 is designed for use with a power converter. The power converter is preferably a DC/AC inverter that generates a DC current provided by a DC voltage source (such as a battery) into an AC current with multiple phase currents. Alternatively, the power converter is a DC/DC rectifier that converts a DC input voltage into a DC output voltage that is different from this.

Aus 1a ist ersichtlich, dass das Leistungsmodul 10 mehrere Halbleiterschaltelemente 14 zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente 14 umfasst. Die Halbleiterschaltelemente 14 sind an deren Unterseite auf einem Schaltungsträger 12 angebracht, welcher im vorliegenden Fall als mehrschichtiges Substrat ausgebildet ist. Der Schaltungsträger 12 weist hierbei beispielhaft eine erste elektrisch leitende Schicht 12a aus Kupfer angrenzend an die Halbleiterschaltelemente 14, eine Isolationsschicht 12b aus einem Kunststoffmaterial, bspw. einem Epoxidharz, und eine zweite elektrisch leitende Schicht aus Kupfer auf. An der Oberseite der Halbleiterschaltelemente 14 ist eine Verdrahtung 16a,b in Form eines Leiterrahmens angeordnet. Die Verdrahtung 16a,b ist oberseitig an mehrere Leistungsanschlüsse 18a,b angebunden, welche elektrisch von außen kontaktiert werden können, um den DC-Strom von einem Zwischenkreiskondensator kommend einzuspeisen und/oder den AC-Strom bzw. die Phasenströme an eine E-Maschine eines zu bestromenden elektrischen Achsantriebs abzugeben. Obwohl hier nicht explizit gezeigt, kann die Verdrahtung 16a alternativ den Schaltungsträger 12 unmittelbar kontaktieren.Out of 1a it can be seen that the power module 10 comprises a plurality of semiconductor switching elements 14 for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements 14. The semiconductor switching elements 14 are attached to their underside on a circuit carrier 12, which in the present case is designed as a multi-layer substrate. The circuit carrier 12 has, for example, a first electrically conductive layer 12a made of copper adjacent to the semiconductor switching elements 14, an insulation layer 12b made of a plastic material, e.g. an epoxy resin, and a second electrically conductive layer made of copper. Wiring 16a,b in the form of a lead frame is arranged on the top side of the semiconductor switching elements 14. The wiring 16a,b is connected on the top side to several power connections 18a,b, which can be electrically contacted from the outside in order to feed in the DC current coming from an intermediate circuit capacitor and/or to deliver the AC current or the phase currents to an electric machine of an electric axle drive to be powered. Although not explicitly shown here, the wiring 16a can alternatively contact the circuit carrier 12 directly.

1a zeigt ferner, dass zwei Leistungsanschlüsse 18a,b sich ausgehend von der Verdrahtung 16a,b entlang einer zu einer Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstrecken. Die Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 kann hierbei entweder die erste elektrisch leitende Schicht 12a, oder an Stellen, an denen die die die erste elektrisch leitende Schicht 12a nicht auf der Isolationsschicht 12b vorliegt, die Isolationsschicht 12b sein. Es ist klar, dass weitere Leistungsanschlüsse 12, bspw. an den Seiten der Leistungsmoduls 10, vorliegen. Diese werden aus Gründen einer besseren Darstellung im vorliegenden Fall nicht gezeigt. 1a further shows that two power connections 18a,b extend from the wiring 16a,b along a direction that is essentially orthogonal to a top side 121 of the circuit carrier 12. The top side 121 of the circuit carrier 12 can either be the first electrically conductive layer 12a, or the insulating layer 12b at locations where the first electrically conductive layer 12a is not present on the insulating layer 12b. It is clear that further power connections 12 are present, for example on the sides of the power module 10. These are not shown in the present case for the sake of better illustration.

Das Leistungsmodul 10 ist ferner in eine Verkapselung 20 (bzw. Verkleidung) aus einem stromisolierenden Material, insbesondere einem Duroplast, derart aufgenommen, dass lediglich Endbereiche 181a,b der zwei Leistungsanschlüsse 18a,b kontaktiert werden können. Aus 1 a ist ersichtlich, dass die Endbereiche 181a,b dabei mit der Oberfläche 201 der Verkapselung 20, insbesondere an einer Verkapselungsoberseite 202, koplanar ausgebildet sind. Es ist denkbar, dass die Endbereiche 181a,b alternativ aus der Verkapselung 20 herausragen oder in diese aufgenommen sein können, wobei in letzterem Fall die Verkapselung 20, bspw. durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung, oder mit einem Laser, abgetragen werden muss, um die die Endbereiche 181a,b für ein elektrisches Kontaktieren zugänglich zu machen. Die Verkapselung 20 weist eine Quaderform auf, wobei der Schaltungsträger 12 derart in die quaderförmige Verkapselung 20 aufgenommen ist, dass dieser im Wesentlichen parallel zu der Verkapselungsoberseite 202 und einer Verkapselungsunterseite 203 der im Wesentlichen quaderförmigen Verkapselung 20 vorliegt, wobei an der Verkapselungsoberseite 202 die Halbleitschaltelemente 14, die Verdrahtung 16a und die Leistungsanschlüsse 18a,b vorliegen.The power module 10 is further accommodated in an encapsulation 20 (or casing) made of a current-insulating material, in particular a thermosetting plastic, such that only end regions 181a,b of the two power connections 18a,b can be contacted. 1 a it is evident that the end regions 181a,b are coplanar with the surface 201 of the encapsulation 20, in particular on an encapsulation top side 202. It is conceivable that the end regions 181a,b can alternatively protrude from the encapsulation 20 or be accommodated in it, in which case the encapsulation 20 must be removed, for example by mechanical and/or chemical processing, or with a laser, in order to make the end regions 181a,b accessible for electrical contact. The encapsulation 20 has a cuboid shape, wherein the circuit carrier 12 is accommodated in the cuboid-shaped encapsulation 20 in such a way that it is substantially parallel to the encapsulation top side 202 and an encapsulation bottom side 203 of the substantially cuboid-shaped encapsulation 20, wherein the semiconductor switching elements 14, the wiring 16a and the power connections 18a,b are present on the encapsulation top side 202.

Aus 1b geht außerdem hervor, dass die zwei an der Verkapselungsoberseite 202 ausgebildeten Leistungsanschlüsse 18a,b an den Endbereichen 181a,b davon mit Stromschienen 24a,b, insbesondere einer pluspoligen Stromschiene 24a und minuspoligen Stromschiene 24b, elektrisch verbunden sind, um das Einspeisen des DC-Eingangsstroms zu ermöglichen. Die Stromschienen 24a,b verbinden dabei Zwischenkreiskondensatoren (nicht gezeigt) mit den jeweiligen Endbereichen 181a,b der Leistungsanschlüsse 18a,b zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Leistungselektronik. Die Stromschienen 24a,b sind flächig entlang der Verkapselungsoberseite 202 ausgebildet und überlappen einander teilweise. Hierbei fungiert die als Stromschienen 24a,b ausgebildete Oberflächenkontaktierung als Wärmespeicher und Wärmespreizungselement, wodurch eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglicht wird.Out of 1b It can also be seen that the two power connections 18a,b formed on the encapsulation top 202 are electrically connected at the end regions 181a,b thereof to busbars 24a,b, in particular a positive-pole busbar 24a and a negative-pole busbar 24b, in order to enable the DC input current to be fed in. The busbars 24a,b connect intermediate circuit capacitors (not shown) to the respective end regions 181a,b of the power connections 18a,b for feeding the input current into the power electronics. The busbars 24a,b are formed flat along the encapsulation top 202 and partially overlap one another. The surface contact formed as busbars 24a,b functions as a heat storage and heat spreading element, which enables improved heat dissipation.

2a-c, 2e, und 2g-j zeigen eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht. 2d und 2f zeigen die jeweilige Ansicht von 2c und 2e in Perspektivansicht. 2a -c, 2e , and 2g -j show a schematic representation of a method for producing a power module 10 according to a further embodiment in a side sectional view. 2d and 2f show the respective view of 2c and 2e in perspective view.

Ausgehen von einem in 2a gezeigten Schaltungsträger 12 werden, wie in 2b ersichtlich, mehrere Halbleiterschaltelemente 14 unterseitig an dem Schaltungsträger 12 über eine elektrisch leitende Klebeverbindung befestigt.Starting from a 2a shown circuit carrier 12, as shown in 2 B As can be seen, several semiconductor switching elements 14 are attached to the underside of the circuit carrier 12 via an electrically conductive adhesive connection.

Weiterhin werden, wie in 2c gezeigt, die Halbleiterschaltelemente 14 oberseitig mit einer Verdrahtung 16a,b elektrisch kontaktiert, die auch den Schaltungsträger 12 elektrisch kontaktieren kann. Die Verdrahtung 16a ist dabei über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an den Halbleiterschaltelementen 14 sowie dem Schaltungsträger 12 befestigt. Die Verdrahtung 16b ist über eine elektrisch leitende Klebeverbindung lediglich an den Halbleiterschaltelementen 14 befestigt. Aus 2d kann weiter entnommen werden, dass die Verdrahtung 16a als Stanzgitter 17b ausgebildet ist.Furthermore, as in 2c shown, the semiconductor switching elements 14 are electrically contacted on the top with a wiring 16a,b, which can also electrically contact the circuit carrier 12. The wiring 16a is attached to the semiconductor switching elements 14 and the circuit carrier 12 via an electrically conductive adhesive connection. The wiring 16b is attached only to the semiconductor switching elements 14 via an electrically conductive adhesive connection. 2d It can further be seen that the wiring 16a is designed as a punched grid 17b.

In einem nächsten, in 2e und 2f, gezeigten Schritt wird die Verdrahtung 16a,b, jeweils mit einem Leistungsanschluss 18a,b, bzw. wird das Stanzgitter 17b mit einem Leistungsanschluss 18a, versehen. Die Leistungsanschlüsse 18a,b sind über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an der Verdrahtung 16a bzw. 16b angebracht und erstrecken sich ausgehend von der Verdrahtung 16a,b, bzw. von dem Stanzgitter 17b, entlang einer zu der Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 im Wesentlichen orthogonalen Richtung.In a next, in 2e and 2f , the wiring 16a,b is provided with a power connection 18a,b, or the lead frame 17b is provided with a power connection 18a,b. The power connections 18a,b are attached to the wiring 16a or 16b via an electrically conductive adhesive connection and extend from the wiring 16a,b or the lead frame 17b along a direction that is essentially orthogonal to the top side 121 of the circuit carrier 12.

In einem letzten, wie in 2g gezeigten, Schritt wird das Leistungsmodul 10 mit einer Verkapselung 20 aus einem Epoxidharz Vergussmaterial derart verkapselt, dass die jeweiligen Endbereiche 181a,b der Leistungsanschlüsse 18a,b an der Verkapselungsoberseite 202 kontaktiert werden können, wobei die die Endbereiche 181a,b koplanar mit der Verkapselungsoberseite 202 ausgebildet sind.In a final, as in 2g In the step shown, the power module 10 is encapsulated with an encapsulation 20 made of an epoxy resin potting material such that the respective end regions 181a,b of the power connections 18a,b can be contacted on the encapsulation top side 202, wherein the end regions 181a,b are formed coplanar with the encapsulation top side 202.

2h zeigt eine Alternative zu 2g. Hierbei wird das Leistungsmodul einschließlich der Endbereiche 181a,b mit einer Verkapselung 20 aus einem Epoxidharz Vergussmaterial verkapselt. In diesem Fall müssen die Endbereiche 181a,b in einem zusätzlichen Schritt, bspw., mit einem Laser freigelegt werden. Im vorliegenden Fall ist lediglich der Endbereich 181b des Leistungsanschlusses 18b freigelegt und mit einem Anschluss 25 versehen. Dieser Bearbeitungsschritt ist im Fall des Endbereichs 181a des Leistungsanschlusses 18a noch nicht gegeben, so dass dieser nicht kontaktiert werden kann. 2 hours shows an alternative to 2g . In this case, the power module including the end regions 181a,b is encapsulated with an encapsulation 20 made of an epoxy resin casting material. In this case, the end regions 181a,b must be exposed in an additional step, e.g., with a laser. In the present case, only the end region 181b of the power connection 18b is exposed and provided with a connection 25. This processing step has not yet been carried out in the case of the end region 181a of the power connection 18a, so that it cannot be contacted.

3a-b zeigen, entsprechend 2c-f, eine schematische Darstellung der Verdrahtung 16a der Halbleiterschaltelemente 14 und das Aufbringen des Leistungsanschlusss 18a in Perspektivansicht. 3a -b show, according to 2c -f, a schematic representation of the wiring 16a of the semiconductor switching elements 14 and the application of the power connection 18a in perspective view.

3a zeigt, wie die Halbleiterschaltelemente 14 oberseitig mit Bändchenbonds 17a als Verdrahtung 16a elektrisch kontaktiert werden, die auch den Schaltungsträger 12 elektrisch kontaktieren kann. Die Bändchenbonds 17a sind hierbei über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an den Halbleiterschaltelementen 14 sowie dem Schaltungsträger 12 befestigt. 3a shows how the semiconductor switching elements 14 are electrically contacted on the top side with ribbon bonds 17a as wiring 16a, which can also electrically contact the circuit carrier 12. The ribbon bonds 17a are attached to the semiconductor switching elements 14 and the circuit carrier 12 via an electrically conductive adhesive connection.

In einem nächsten, in 3b, gezeigten Schritt werden die Bändchenbonds 17a mit einem Leistungsanschluss 18a, versehen. Der Leistungsanschluss 18a ist über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an den Bändchenbonds 17a angebracht und erstreckt sich ausgehend von der den Bändchenbonds 17a entlang einer zu der Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 im Wesentlichen orthogonalen Richtung.In a next, in 3b , the ribbon bonds 17a are provided with a power connection 18a. The power connection 18a is attached to the ribbon bonds 17a via an electrically conductive adhesive connection and extends from the ribbon bonds 17a along a direction that is essentially orthogonal to the top side 121 of the circuit carrier 12.

4a-b zeigen den entsprechenden Sachverhalt der 2c-f, wobei lediglich ein Stanzgitter 17b gezeigt wird. 4a -b show the corresponding facts of the 2c -f, where only a punched grid 17b is shown.

4a zeigt, wie die Halbleiterschaltelemente 14 oberseitig mit mit dem Stanzgitter 17b als Verdrahtung 16a elektrisch kontaktiert werden, die auch den Schaltungsträger 12 elektrisch kontaktieren kann. Das Stanzgitter 17b ist über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an den Halbleiterschaltelementen 14 sowie dem Schaltungsträger 12 befestigt. 4a shows how the semiconductor switching elements 14 are electrically contacted on the top with the lead frame 17b as wiring 16a, which can also electrically contact the circuit carrier 12. The lead frame 17b is attached to the semiconductor switching elements 14 and the circuit carrier 12 via an electrically conductive adhesive connection.

In einem weiteren, in 4b, gezeigten Schritt wird das Stanzgitter 17b mit einem Leistungsanschluss 18a, versehen. Der Leistungsanschluss 18a ist über eine elektrisch leitende Klebeverbindung an dem Stanzgitter 17b angebracht und erstreckt sich ausgehend von der dem Stanzgitter 17b entlang einer zu der Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 im Wesentlichen orthogonalen Richtung.In another, in 4b , the lead frame 17b is provided with a power connection 18a. The power connection 18a is attached to the lead frame 17b via an electrically conductive adhesive connection and extends from the lead frame 17b along a direction that is essentially orthogonal to the top side 121 of the circuit carrier 12.

5 zeigt eine schematische Darstellung der Bereitstellung eines elektrisch leitfähigen Elements 22 auf einem Schaltungsträger 12. Das elektrisch leitfähige Element 22 erstreckt sich ausgehend von dem Schaltungsträger 12 entlang einer zu einer Oberseite 121 des Schaltungsträgers 12 im Wesentlichen orthogonalen Richtung. Das elektrisch leitfähige Element 22 ist ferner dazu angepasst einen (nicht gezeigten) Signalpin zu führen, welcher wiederum dazu vorgesehen ist eines der (nicht gezeigten) Halbleiterschaltelemente 14 durch Steuersignale in Form von elektrischen Spannungen/Strömen/Pulsen anzusteuern. 5 shows a schematic representation of the provision of an electrically conductive element 22 on a circuit carrier 12. The electrically conductive element 22 extends from the circuit carrier 12 along a direction that is essentially orthogonal to a top side 121 of the circuit carrier 12. The electrically conductive element 22 is further adapted to guide a signal pin (not shown), which in turn is intended to control one of the semiconductor switching elements 14 (not shown) by control signals in the form of electrical voltages/currents/pulses.

In 5 ist das elektrisch leitfähigen Element 22 als Stehhülse ausgebildet, durch die der Signalpin verläuft, welcher eines der Halbleiterschaltelemente 14, ggf. über die Verdrahtung, mit einer (nicht gezeigten) Treibereinrichtung elektrisch verbindet.In 5 the electrically conductive element 22 is designed as a standing sleeve through which the signal pin runs, which electrically connects one of the semiconductor switching elements 14, possibly via the wiring, to a driver device (not shown).

BezugszeichenReference symbols

1010
LeistungsmodulPower module
1212
SchaltungsträgerCircuit carrier
12a12a
erste elektrisch leitende Schichtfirst electrically conductive layer
12b12b
IsolationsschichtInsulation layer
12a12a
zweite elektrisch leitende Schichtsecond electrically conductive layer
1414
HalbleiterschaltelementSemiconductor switching element
16a,b16a,b
Verdrahtungwiring
17a17a
BonddrähteBond wires
17b17b
StanzgitterPunched grid
18a,b18a,b
LeistungsanschlussPower connection
2020
Verkapselungencapsulation
2222
elektrisch leitfähiges Elementelectrically conductive element
24a, b24a, b
StromschieneBusbar
2525
AnschlussConnection
121121
OberseiteTop
181a, b181a, b
EndbereichEnd area
201201
Oberflächesurface
202202
VerkapselungsoberseiteEncapsulation top
203203
VerkapselungsunterseiteEncapsulation bottom

Claims (12)

Leistungsmodul (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (14), einen Schaltungsträger (12), an den die Halbleiterschaltelemente (14) unterseitig angebunden sind, eine Verdrahtung (16a,b), an die die Halbleiterschaltelemente (14) oberseitig angebunden sind, mehrere Leistungsanschlüsse (18a,b) zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) sich ausgehend von der Verdrahtung (16a,b) entlang einer zu einer Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt.Power module (10) for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising a plurality of semiconductor switching elements (14) for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements (14), a circuit carrier (12) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the underside, wiring (16a,b) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the top side, a plurality of power connections (18a,b) for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections (18a,b) extends from the wiring (16a,b) along a direction that is substantially orthogonal to an upper side (121) of the circuit carrier (12). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei zwei der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) sich ausgehend von der Verdrahtung (16a,b) entlang einer zur Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstrecken und wobei die zwei der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) mit Stromschienen (24a,b) verbunden sind.Power module (10) according to Claim 1 wherein two of the plurality of power terminals (18a,b) extend from the wiring (16a,b) along a direction substantially orthogonal to the top side (121) of the circuit carrier (12), and wherein the two of the plurality of power terminals (18a,b) are connected to busbars (24a,b). Leistungsmodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verdrahtung (16a,b) als Stanzgitter (16a) und/oder Bonddrähte (16b) ausgebildet ist, vorzugsweise wobei die Verdrahtung (16a,b) über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitender Klebeverbindung an die Halbleiterschaltelemente (14), und weiter vorzugsweise zusätzlich an den Schaltungsträger (12), angebunden ist.Power module (10) according to one of the preceding claims, wherein the wiring (16a,b) is designed as a punched grid (16a) and/or bonding wires (16b), preferably wherein the wiring (16a,b) is connected to the semiconductor switching elements (14) via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection, and further preferably additionally to the circuit carrier (12). Leistungsmodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Verkapselung (20), in welcher das Leistungsmodul (10) derart aufgenommen ist, dass lediglich Endbereiche (181a,b) der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) an einer Verkapselungsoberfläche (201) der Verkapselung (20) elektrisch kontaktiert werden können.Power module (10) according to one of the preceding claims, comprising an encapsulation (20) in which the power module (10) is accommodated such that only end regions (181a,b) of the plurality of power connections (18a,b) can be electrically contacted on an encapsulation surface (201) of the encapsulation (20). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Endbereiche (181a,b) der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) nach teilweisem Abtragen der Verkapselung (20) elektrisch kontaktiert werden können.Power module (10) according to Claim 2 , wherein the end regions (181a,b) of the plurality of power connections (18a,b) can be electrically contacted after partial removal of the encapsulation (20). Leistungsmodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner ein elektrisch leitfähiges Element (22) aufweisend, welches sich ausgehend von dem Schaltungsträger (12) entlang einer zur Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt und welches dazu angepasst ist einen Signalpin zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente (14) zu führen.Power module (10) according to one of the preceding claims, further comprising an electrically conductive element (22) which extends from the circuit carrier (12) along a direction substantially orthogonal to the upper side (121) of the circuit carrier (12) and which is adapted to guide a signal pin for transmitting control signals for controlling the semiconductor switching elements (14). Leistungsmodul (10) nach Anspruch 6, wobei das elektrisch leitfähige Element (22) als Abstandshalter, Stehhülse, oder verschlossene Hohlhülse ausgebildet ist.Power module (10) according to Claim 6 , wherein the electrically conductive element (22) is designed as a spacer, standing sleeve, or closed hollow sleeve. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend: (a) Unterseitiges Anbinden mehrerer Halbleiterschaltelemente (14) zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (14) an einen Schaltungsträger (12), (b) Oberseitiges Anbinden der mehreren Halbleiterschaltelemente (14) an eine Verdrahtung (16a,b), (c) Anbinden mehrerer Leistungsanschlüsse (18a,b), an die Verdrahtung (16a,b), zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) sich ausgehend von der Verdrahtung (16a,b) entlang einer zu einer Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt, und (d) Ggf. Verkapseln, bspw. durch Aufbringen einer Vergussmasse, des Leistungsmoduls (10) mit einer Verkapselung (20) derart, dass lediglich Endbereiche (181a,b) der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) an einer Oberfläche (201) der Verkapselung (20) elektrisch kontaktiert werden können, vorzugsweise teilweises Abtragen der Verkapselung (20) derart, dass die Endbereiche (181a,b) der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) freigelegt werden.Method for producing a power module (10) for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising: (a) connecting a plurality of semiconductor switching elements (14) on the underside for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements (14) to a circuit carrier (12), (b) connecting the plurality of semiconductor switching elements (14) on the top side to a wiring (16a,b), (c) connecting a plurality of power connections (18a,b) to the wiring (16a,b) for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections (18a,b) extends from the wiring (16a,b) along a direction that is substantially orthogonal to a top side (121) of the circuit carrier (12), and (d) if necessary, encapsulating, e.g. by Applying a potting compound to the power module (10) with an encapsulation (20) such that only end regions (181a,b) of the plurality of power connections (18a,b) are on a surface (201) of the encapsulation (20) can be electrically contacted, preferably partially removing the encapsulation (20) such that the end regions (181a,b) of the plurality of power connections (18a,b) are exposed. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eines oder mehrere des (a) unterseitigen Anbindens der mehrerer Halbleiterschaltelemente (14) an den Schaltungsträger (12), des (b) oberseitigen Anbindens der mehreren Halbleiterschaltelemente (14) an die Verdrahtung (16a,b), und des (c) Anbringens der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung erfolgt, vorzugsweise wobei zwei oder drei der Schritte (a), (b), und (c) gleichzeitig erfolgen.Procedure according to Claim 8 , wherein one or more of (a) the lower-side connection of the plurality of semiconductor switching elements (14) to the circuit carrier (12), (b) the upper-side connection of the plurality of semiconductor switching elements (14) to the wiring (16a,b), and (c) attachment of the plurality of power connections (18a,b) is carried out via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection, preferably wherein two or three of the steps (a), (b), and (c) are carried out simultaneously. Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend ein oder mehrere Leistungsmodule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Power converter, in particular inverter, for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising one or more power modules (10) according to one of the Claims 1 until 7 . Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, nach Anspruch 10.Electric axle drive for a vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric machine, a transmission device and a power converter, in particular an inverter, according to Claim 10 . Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 10.Vehicle, in particular electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric axle drive according to Claim 10 .
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