DE10249206B3 - Method of assembling a power device - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Zusammenbau eines Leistungsbauelements für die Leistungselektronik, das für die einfache und kostengünstige mechatronische Integration von Leistungsbauelementen und Applikation geeignet ist und bei dem eine gehäusefreie mechanische Lagerung auf einem Trägerstreifen, der zur mechanischen Verbindung mit einer Leiterplatte ausgebildet ist, und wenigstens zwei Anschlussstreifen, die jeweils mit einem elektrischen Kontakt des Leistungsbauelementes verbunden sind, zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte vorgesehen sind.Method for assembling a power component for power electronics, which is suitable for the simple and inexpensive mechatronic integration of power components and application and in which a housing-free mechanical mounting on a carrier strip, which is designed for mechanical connection to a printed circuit board, and at least two connection strips, the are each connected to an electrical contact of the power component, are provided for electrical connection to the circuit board.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbau eines Leistungsbauelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for assembling a power component according to the preamble of the claim 1.

Elektrische Antriebssysteme werden heute in vielfältiger Form verwendet. Kleinste Leistungen im Mikrowatt-Bereich (Armbanduhr) bis hin zu höchsten Leistungen im Megawatt-Bereich (Lokomotive, Walzwerk) sind nicht ungewöhnlich. Auch die Qualität der Antriebsaufgabe umfasst einen großen Bereich vom einfachen Spielzeugantrieb bis zur anspruchsvollen Lageregelung in der Werkzeugmaschine.Electric drive systems are today in diverse Shape used. Lowest performance in the microwatt range (wristwatch) up to the highest Outputs in the megawatt range (locomotive, rolling mill) are not unusual. The quality too The drive task covers a wide range of simple toy drives to the demanding position control in the machine tool.

Ein elektrisches Antriebssystem besteht mindestens aus einem Motor, der elektrische Energie etwa aus dem Stromnetz aufnimmt und in Rotationsenergie umwandelt und ggf. einem Getriebe. Bei größeren Antrieben oder wenn die Antriebsaufgabe anspruchsvoll ist, oder auch wenn nicht immer die maximale Antriebsleistung benötigt wird, werden heute meist geregelte oder drehzahlveränderliche Antriebe verwendet. Bei einem geregelten Antrieb wird der elektrische Motor über ein Leistungsstellglied betrieben, und eine Regelung sorgt dafür, dass gewünschte Prozessgrößen eingehalten werden. Ein elektronisches Leistungsstellglied ist meist als ein Gerät ausgeführt welches die erforderliche Leistungselektronik sowie die zugehörige Signalverarbeitung enthält. Solche Geräte werden z.B. als „Stromrichter", „Wechselrichter" oder „Umrichter" bezeichnet, womit das gesamte Gerät und nicht nur der Leistungsteil gemeint ist.An electric drive system exists at least from a motor, the electrical energy from the Power grid takes up and converted into rotational energy and possibly one Transmission. For larger drives or if the drive task is demanding, or even if The maximum drive power is not always required, are today mostly regulated or variable speed Drives used. With a regulated drive, the electrical Engine over a power actuator operated, and a control ensures that desired Process variables adhered to become. An electronic power actuator is usually considered a Device executed which the required power electronics and the associated signal processing contains. Such equipment e.g. referred to as "converter", "inverter" or "converter", with which the entire device and not just the power section is meant.

Die Leistungselektronik verwendet als Bauelemente Dioden, Thyristoren, Leistungstransistoren und insbesondere für hohe Schaltfrequenzen (bis zu 1MHz) und kleine Spannungen (bis etwa 400V) MOSFETs sowie für große Leistungen mit nicht allzu großen Schaltfrequenzen (3kHz...100kHz) IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBTs stehen heute für hohe Spannungen (2kV) und Ströme zur Verfügung. In der Antriebstechnik hat der IGBT in den letzten Jahren eine große Verbreitung gefunden. Wechselrichter zum Betrieb von Asynchron- und Synchronmaschinen im Leistungsbereich von wenigen 100W bis in den MW-Bereich werden heute fast ausschließlich mit IGBTs realisiert.The power electronics used as components diodes, thyristors, power transistors and in particular for high Switching frequencies (up to 1MHz) and low voltages (up to about 400V) MOSFETs also for size Services with not too big Switching frequencies (3kHz ... 100kHz) IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBTs stand for today high voltages (2kV) and currents to disposal. The IGBT has been widely used in drive technology in recent years found. Inverters for operating asynchronous and synchronous machines in the power range from a few 100W to the MW range today almost exclusively realized with IGBTs.

Die Leistungsbauelemente werden in Modulen angeordnet, die Einzelschalter oder auch integrierte Schaltungsanordnungen enthalten können. Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Module muss die erforderliche elektrische Isolation sowie kompakte, vorzugsweise flach, Bauform und gute thermische Eigenschaften gewährleisten. Gleichzeitig bestehen Anforderungen nach geringen Kosten für Materialien und Prozesse bei gleichzeitig hoher Langzeitzuverlässigkeit und geringer Ausfallrate. Außerdem sollte in großes Leistungsspektrum mit möglichst wenigen Modulvarianten realisierbar sein.The power components are in Arranged modules, the individual switch or integrated circuit arrangements can contain. The The construction and connection technology of the modules must be the required electrical insulation as well as compact, preferably flat, design and ensure good thermal properties. Exist at the same time Requirements for low costs for materials and processes with high long-term reliability and a low failure rate. Moreover should be in big Range of services with as much as possible a few module variants.

Die eigentlichen Leistungsbauelemente werden durch die Hersteller in Gehäuse eingebracht, wobei die Anschlüsse der Chips mit den äußeren Anschlüssen der Gehäuse verbunden werden. Für die integrierten Schaltkreise bzw. Chips der Informationstechnologie sind die Abmessungen solcher Gehäuse und die Anordnungen der Kontakte standardisiert, so dass die Produkte verschiedener Hersteller problemlos austauschbar sind. In der Leistungselektronik gibt es bisher keine standardisierten Gehäusebauformen.The actual power components are inserted into the housing by the manufacturer, the connections of the chips with the external connections of the casing get connected. For the integrated circuits or chips of information technology are the dimensions of such housings and the arrangements of contacts standardized so that the products different manufacturers are easily interchangeable. In power electronics so far there are no standardized housing designs.

Die Funktionalität eines neu zu entwickelnden Moduls soll durch die optimale Verknüpfung der mechanischen und elektronischen Komponenten, also die mechatronische Integration, erreicht werden. Die an sich geeigneten Leistungsbauelemente verschiedener Hersteller unterscheiden sich jedoch in ihren Gehäuseformen. Daher müssen alle diese Bauelemente einzeln auf ihre Eignung für die mechatronische Integration in das Modul geprüft werden. So entsteht für jedes neu zu entwickelnde Modul großer Entwicklungsaufwand, ohne dass diesen Aufwendungen eine entsprechende Wertschöpfung gegenübersteht. Auch das schließlich ausgewählte Leistungsbauelement verfügt im Allgemeinen nicht über ein optimal für die mechatronische Integration mit der konkreten Applikation geeignetes Gehäuse.The functionality of a newly developed Through the optimal combination of mechanical and electronic components, i.e. mechatronic integration, can be achieved. The per se suitable power components of various However, manufacturers differ in their housing shapes. Therefore must all of these components individually on their suitability for mechatronic Integration into the module checked become. This is how for each new module to be developed requires great development effort without that these expenses are offset by a corresponding added value. Finally, that too selected Power component has generally don't have one optimal for the mechatronic integration with the specific application is suitable Casing.

Kommt es bei einem Hersteller zu Lieferschwierigkeiten, ist ein Ersatz durch Leistungsbauelemente anderer Hersteller erneut nur mit hohem Aufwand erforderlich.It is up to a manufacturer Delivery difficulties, is a replacement by power components other manufacturers again only with great effort.

Aus der US 6,319,755 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung bekannt. Dabei wird ein Leistungsbauelement auf einem Flächestück eines Leiterrahmens mit leitfähigem Kunststoff befestigt. Auf die dem Leiterrahmen gegenüberliegende Seite des Leistungsbauelementes wird ebenfalls leitfähiger Kunststoff aufgebracht. Darauf wird anschließend das eine Ende eines Leiterstreifens festgeklebt, dessen anderes Ende an einem Eingangsbereich des Leiterrahmens festgeklebt wird. Diese wenigstens drei Klebestellen werden anschließend gleichzeitig ausgehärtet.From the US 6,319,755 B1 a method for producing an integrated circuit is known. A power component is attached to a surface of a lead frame with conductive plastic. Conductive plastic is also applied to the side of the power component opposite the lead frame. One end of a lead strip is then glued onto it, the other end of which is glued to an input region of the lead frame. These at least three glue points are then cured simultaneously.

In der GB 23 62 991 A sind eine Halbleitergeräteeinkapselungsanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Das Verfahren wird vorzugsweise dazu verwendet, mehrere Halbleiterchips zusammenzubauen. Dazu werden zunächst ein Bodenrahmen mit mehreren Bodenrahmeneinheiten und ein Brückenrahmen mit mehreren Brückenrahmeneinheiten bereitgestellt. Auf jede Bodenrahmeneinheit wird ein Halbleiterchip aufgesetzt. Anschließend wird darauf die Brückenrahmeneinheit aufgesetzt und mit den entsprechenden Stellen des Bodenrahmens bzw. des Halbleiterchips verbunden. Mit diesem Verfahren soll die Durchsatzrate beim Zusammenbau erhöht werden.In the GB 23 62 991 A describes a semiconductor device encapsulation arrangement and a method for its manufacture. The method is preferably used to assemble several semiconductor chips. For this purpose, a floor frame with several floor frame units and a bridge frame with several bridge frame units are initially provided. A semiconductor chip is placed on each base frame unit. The bridge frame unit is then placed thereon and connected to the corresponding locations on the base frame or the semiconductor chip. This process is intended to increase the throughput rate during assembly.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Zusammenbau von Leistungsbauelementen anzugeben, das für die einfache und kostengünstige mechatronische Integration von Leistungsbauelementen und Applikation geeignet ist.The basis of the invention Task is a process for assembling power components specify that for the simple and inexpensive mechatronic Integration of power components and application is suitable.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished through the procedure solved with the features of claim 1.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Gestaltung und Herstellung des eigentlichen Leistungsbauelementes und des Gehäuses zu trennen. Das Leistungsbauelement wird gehäusefrei mechanisch auf einem Trägerstreifen gelagert. Darüber hinaus hat das Leistungsbauelement eine elektrische Kontaktierung durch wenigstens zwei Anschlussstreifen.An essential idea of the invention consists in the design and manufacture of the actual power component and the housing to separate. The power component is mechanically free on a housing carrier strip stored. About that In addition, the power component has an electrical contact by at least two connecting strips.

Ein Leistungsbauelement, welches ohne herkömmliches Gehäuse und ohne Träger- bzw. Anschlussstreifen ausgeliefert wird, kann leicht in die Applikation eines Anwenders integriert werden. Die konkrete Ausführung des Trägerstreifens bzw. der Anschlussstreifen zur mechanischen bzw. elektrischen Verbindung zu einer Leiterplatte liegt bei dem Anwender. Damit kann dieser die mechatronische Integration optimal gestalten, überflüssige Teile werden eliminiert.A power component, which without conventional casing and without carrier or connecting strips is easily delivered into the application of a user can be integrated. The concrete execution of the carrier strip or the connection strip for mechanical or electrical connection to a circuit board lies with the user. So that can optimally design the mechatronic integration, redundant parts are eliminated.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Trägerstreifen und/oder die Anschlussstreifen zur Wärmeableitung von dem Leistungsbauelement ausgebildet sind. Dabei kann der Trägerstreifen zur Wärmeableitung an einen Kühlkörper vorgesehen sein.It can also be provided that the carrier strip and / or the connection strips for heat dissipation from the power component are trained. The carrier strip can be used for heat dissipation provided on a heat sink his.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Montieren des Leistungsbauelements auf dem Trägerstreifen mittels Kleben oder Löten erfolgt. Dabei kann das Leistungsbauelement leitfähig verklebt werden.It is preferably provided that mounting the power component on the carrier strip by means of gluing or soldering he follows. The power component can be glued in a conductive manner become.

Bei einer speziellen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Trägerstreifen zugleich einen der Anschlussstreifen bildet. Auf diese Weise dient der Trägerstreifen sowohl zur mechanischen Lagerung des Leistungsbauelementes als auch zur Kontaktierung eines Anschlusses.In a special embodiment can be provided that the carrier strip at the same time the connecting strip forms. The carrier strip serves in this way both for mechanical storage of the power component as well for contacting a connection.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Leistungsbauelement einen IGBT aufweist und der Trägerstreifen mit einem Kollektor- oder einem Emitter-Kontakt desselben elektrisch und mechanisch verbunden ist und zwei Anschlussstreifen mit dem verbleibenden Kollektor- oder Emitter-Kontakt sowie mit dem Gate-Kontakt elektrisch verbunden sind. Üblicherweise weist der IGBT eine flach quaderförmige Grundform auf, wobei die beiden Hauptanschlüsse sich auf gegenüberliegenen Seiten befinden.In the preferred embodiment it is provided that the power component has an IGBT and the carrier strip with a collector or an emitter contact of the same electrically and is mechanically connected and two connection strips with the remaining collector or emitter contact and with the gate contact electrically are connected. Usually the IGBT has a flat cuboid basic shape, the two main connections facing each other Pages.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Hauptabmessungen des Trägerstreifens den Hauptabmessungen des Leistungsbauelements entsprechen oder diese übertreffen. Dies ermöglicht eine optimale Wärmeableitung.It is advantageously provided that that the main dimensions of the carrier strip correspond to or exceed the main dimensions of the power component. This enables one optimal heat dissipation.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Trägerstreifen zur mechanischen Verbindung mit einer Leiterplatte ausgebildet ist. Damit sind keine weiteren mechanischen Befestigungsmittel erforderlich.Finally, it can be provided that the carrier strip is designed for mechanical connection to a circuit board. This means that no further mechanical fasteners are required.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur. Diese zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäß ausgeführtes Leistungsbauelement, das in ein Einzelschaltsystem integriert ist.Advantages and practicalities the invention moreover result from the subclaims and the following description of a preferred embodiment based on the single figure. This shows in a schematic perspective Representation of a power component designed according to the invention, which is integrated in a single switching system.

Das Einzelschaltelement 1 weist neben dem Leistungsbauelement 2 einen Trägerstreifen 3 und zwei Anschlussstreifen 4A, 4B auf. Das Leistungsbauelement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein IGBT und weist eine flach quaderförmige Grundform auf. Das Halbleiterbauelement 2 ist zur mechanischen Lagerung mit dem Trägerstreifen 3 verklebt.The single switching element 1 points next to the power component 2 a carrier strip 3 and two connecting strips 4A . 4B on. The power component 2 is an IGBT in this embodiment and has a flat cuboid basic shape. The semiconductor device 2 is for mechanical storage with the carrier strip 3 bonded.

Die Anschlüsse des Leistungsbauelementes 2 sind über (nicht gezeigte) Anschlussflächen, die einen Teil der Oberfläche des IGBT ausmachen, realisiert.The connections of the power component 2 are realized via connection surfaces (not shown) which make up part of the surface of the IGBT.

Die beiden Hauptanschlüsse befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des IGBT. Der eine Hauptanschluss des IGBT wird über die Fläche des Leistungsbauelementes 2 realisiert, die mit dem Trägerstreifen 3 leitfähig verklebt ist. Auf diese Weise dient der Trägerstreifen 3 sowohl zur mechanischen Lagerung des Leistungsbauelementes 2 als auch zur Kontaktierung eines Anschlusses.The two main connectors are on opposite sides of the IGBT. The one main connection of the IGBT is over the area of the power component 2 realized that with the carrier strip 3 is bonded conductively. The carrier strip serves in this way 3 both for mechanical storage of the power component 2 as well as for contacting a connection.

Der zweite Hauptanschluss wird durch einen der Anschlussstreifen 4A kontaktiert. Der zweite der Anschlussstreifen 4B kontaktiert den Gateanschluss des IGBT 2.The second main connector is through one of the connector strips 4A contacted. The second of the connecting strips 4B contacts the gate connector of the IGBT 2 ,

Der Trägerstreifen 3 und die beiden Anschlussstreifen 4A, 4B weisen ein S-förmiges Profil auf und sind zur flächenhaften Verbindung mit der Oberfläche einer Leiterplatte mittels SMD-Technik vorgesehen. Hierzu weisen der Trägerstreifen 3 und der Anschlussstreifen 4A jeweils eine Anschlussfläche 5 für einen Hauptanschluss, sowie der zweite Anschlussstreifen 4B eine Anschlussfläche 6 für den Gateanschluss auf.The carrier strip 3 and the two connection strips 4A . 4B have an S-shaped profile and are intended for surface connection to the surface of a printed circuit board using SMD technology. For this purpose, the carrier strip 3 and the connector strip 4A one connection area each 5 for a main connection and the second connection strip 4B a pad 6 for the gate connection.

Der Trägerstreifen 3 ist zur Wärmeableitung von dem Leistungsbauelement 2 an einem nicht gezeigten Kühlkörper ausgebildet, der flächenhaft mit der gegenüberliegenden Seite desjenigen Teiles des Trägerstreifens 3, der das Leistungsbauelement 2 trägt, in einem thermischen Kontakt steht. Zur optimalen Wärmeableitung übertreffen die Hauptabmessungen des Trägerstreifens 3 die Hauptabmessungen des Leistungsbauelementes 2.The carrier strip 3 is for heat dissipation from the power component 2 formed on a heat sink, not shown, which is flat with the opposite side of that part of the carrier strip 3 which is the power device 2 carries, is in thermal contact. For optimal heat dissipation, the main dimensions of the carrier strip exceed 3 the main dimensions of the power component 2 ,

In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform sind der Trägerstreifen 3 und die Anschlussstreifen 4A, 4B zur Wärmeableitung von dem Leistungsbauelement 2 auf die Leiterplatte ausgebildet.In a further embodiment, not shown, the carrier strip 3 and the connection strips 4A . 4B for heat dissipation from the power component 2 trained on the circuit board det.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern im Rahmen der anhängenden Ansprüche auch in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.The implementation of the invention is not limited to this example, but within the scope of the attached Expectations also possible in a variety of modifications, as part of professional action lie.

Claims (7)

Verfahren zum Zusammenbau eines Leistungsbauelements (2) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, wobei das Leistungsbauelement (2) mit der einen Hauptfläche auf einem Trägerstreifen (3) mechanisch montiert wird und auf der anderen Hauptfläche ein oder mehrere Anschlussstreifen (5, 6) zur elektrischen Verbindung mit einer Leiterplatte ausgebildet sind, und wobei das Leistungsbauelement (2) auf den Trägerstreifen (3) und die Anschlussstreifen (5, 6) auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgesetzt und darüber kontaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Leistungsbauelements (2) erst nach seinem Aufsetzen auf die Leiterplatte hergestellt wird.Method for assembling a power component ( 2 ) with a first and a second main surface, the power component ( 2 ) with one main surface on a carrier strip ( 3 ) is mechanically mounted and one or more connection strips ( 5 . 6 ) are designed for electrical connection to a printed circuit board, and the power component ( 2 ) on the carrier strip ( 3 ) and the connection strips ( 5 . 6 ) are placed on the surface of the printed circuit board and contacted, characterized in that the housing of the power component ( 2 ) is only produced after it has been placed on the circuit board. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstreifen (3) und/oder die Anschlussstreifen (5, 6) zur Wärmeableitung von dem Leistungsbauelement (2) ausgebildet sind.A method according to claim 1, characterized in that the carrier strip ( 3 ) and / or the connection strips ( 5 . 6 ) for heat dissipation from the power component ( 2 ) are trained. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Montieren des Leistungsbauelements (2) auf dem Trägerstreifen (3) mittels Kleben oder Löten erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the mounting of the power component ( 2 ) on the carrier strip ( 3 ) by gluing or soldering. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstreifen (3) zugleich einen der Anschlussstreifen (5, 6) bildet.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the carrier strip ( 3 ) also one of the connection strips ( 5 . 6 ) forms. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsbauelement (2) einen IGBT aufweist und der Trägerstreifen (3) mit einem Kollektor- oder einem Emitter-Kontakt desselben elektrisch und mechanisch verbunden ist und zwei Anschlussstreifen mit dem verbleibenden Kollektor- oder Emit ter-Kontakt sowie mit dem Gate-Kontakt elektrisch verbunden sind.A method according to claim 4, characterized in that the power component ( 2 ) has an IGBT and the carrier strip ( 3 ) is electrically and mechanically connected to a collector or an emitter contact thereof and two connection strips are electrically connected to the remaining collector or emitter contact and to the gate contact. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptabmessungen des Trägerstreifens (3) den Hauptabmessungen des Leistungsbauelements entsprechen oder diese übertreffen.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the main dimensions of the carrier strip ( 3 ) correspond to or exceed the main dimensions of the power component. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstreifen (3) zur mechanischen Verbindung mit einer Leiterplatte ausgebildet ist.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier strip ( 3 ) is designed for mechanical connection to a printed circuit board.
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