DE19924993A1 - Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise - Google Patents
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Abstract
Das Leistungssubstrat ist als Bodenplatte in ein Gehäuse (1) eingesetzt und bildet mit diesem zusammen ein standardisiertes Leistungsteil, aus dessen Oberseite (11) Anschlußstifte (5) herausragen, die in Durchstecklötung mit Kontaktlöchern der Ansteuerungs-Leiterplatte (4) verlötet sind. Die Leiterplatte (4) weist in einem freibleibenden Streifenbereich (6) Kontaktpads (7) als Steuer- und Leistungsanschlüsse auf, mittels derer das Modul direkt in die schlitzartige Öffnung einer Systemleiterplatte (8) einlötbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein intelligentes Leistungsmodul mit
Steuer- und Leistungsanschlüssen, bei dem parallel zu einem
Substrat mit wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement
in einer zweiten Ebene eine Ansteuerungs-Leiterplatte ange
ordnet ist.
IPM (Intelligent-Power-Modul)-Bauformen, also. Module mit Lei
stungshalbleiterbauelementen und im Modul integrierten Logik-
bzw. Ansteuerungselementen, werden gegenwärtig beispielsweise
bei Anwendungen im Zusammenhang mit Schweißgeräten, Stromver
sorgungen und in der Antriebstechnik eingesetzt. Insbesondere
im Bereich der Asynchronmotoren werden zunehmend Frequenzum
richterlösungen zur Drehzahlsteuerung eingesetzt, wobei im
Leistungsteil des Moduls insbesondere IGBT (Isolated-Gate-
Bipolar-Transistor)-Leistungshalbleiter Verwendung finden.
Bei der Auswahl des Leistungssubstrats als Träger für die er
forderlichen Leistungsbauelemente ist zu beachten, daß zur
üblicherweise erforderlichen Kühlplatte hin einerseits eine
hohe elektrische Isolation, andererseits aber auch ein guter
Wärmeübergang gewährleistet ist. Letzteres ist mit den be
kannten Leiterplatten aus Kunststoff nicht gegeben, so daß
die Leistungsbauelemente derzeit je nach Applikationsanforde
rung auf relativ aufwendigen Substraten, beispielsweise
DCB (Direct Copper Bonding)-Aluminiumoxid, IMS (Aluminium-
Polyimid-Kupfer) oder Aluminiumnitrit aufgebaut werden. Die
Logikelemente andererseits können ohne weiteres auf der Basis
der bekannten Epoxi-Leiterplatten hergestellt werden.
Problematisch bei der herkömmlichen Modultechnik sind die
Verbindungen zwischen den Logik- und den Leistungsbauelemen
ten einerseits und vom Modul zu einer Systemleiterplatte an
dererseits. Diese Verbindungen, bei denen typischerweise Löt
kontakte, Klemmen, Steckverbindungen oder Druckkontakte ein
gesetzt werden, sind oftmals eine qualitative Schwachstelle
und verursachen hohe Kosten. Noch größer werden die Probleme
mit der Verbindungstechnik, wenn aus Platzgründen vom Anwen
der ein Sandwich-Aufbau des Moduls gefordert wird, bei dem
beispielsweise das Leistungssubstrat über Pins mit der dar
über angeordneten Ansteuerungs-Leiterplatte verbunden ist,
wie es zum Beispiel aus der EP 0 463 589 A2, vgl. dort Fig.
1, bekannt ist. Im einzelnen wird bei diesem bekannten Modul
das Bodensubstrat mit Leistungshalbleitern in den Rahmen des
dortigen Modulgehäuses eingesetzt, es werden Verbindungslei
tungen angelötet und eine Vergußmasse eingebracht, woraufhin
die Ansteuerplatine in das Modulgehäuse eingesetzt und mit
den Verbindungsleitungen verlötet wird. Je nach Anwendung ra
gen verschiedene, an die Substrate extra angelötete Anschluß
stifte aus dem Modulgehäuse heraus.
Nachteilig beim bekannten Sandwich-Modul ist neben der auf
wendigen Verbindungstechnik vor allem, daß dieser Aufbau nur
mit hohem Entwicklungs- bzw. Adaptierungsaufwand für kunden
spezifische Module geeignet ist. So können insbesondere Ände
rungswünsche in der Ansteuerschaltung eine veränderte Plazie
rung bzw. Gestaltung der Verbindungsleitungen bzw. der An
schlußstifte erforderlich machen, sich insofern also auf das
Modul als Ganzes auswirken, das dann auch als Ganzes geändert
werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein intelligentes
Leistungsmodul zu schaffen, das ohne aufwendige interne und
externe Verbindungstechnik auskommt und deshalb mit geringem
Aufwand herstellbar ist, und das hinsichtlich kundenspezifi
scher Ansteuerschaltungen leicht adaptierbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem intelligenten Leistungs
modul der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das
Leistungssubstrat als Bodenplatte in ein Gehäuse aus elek
trisch isolierendem Material eingesetzt ist und mit diesem
zusammen ein Leistungsteil bildet, aus dessen der Ansteue
rungs-Leiterplatte zugewandten Oberseite wenigstens in einem
Randbereich Anschlußstifte herausragen, die in Durchstecklö
tung mit Kontaktlöchern der Ansteuerungs-Leiterplatte verlö
tet sind, wobei mindestens ein Streifenbereich entlang einer
Seite der Leiterplatte von Kontaktlöchern und Ansteuerungs-
Bauelementen frei bleibt, und daß die Leiterplatte an dieser
Seite Kontaktpads als Steuer- und Leistungsanschlüsse auf
weist, mittels derer das Modul direkt in die schlitzartige
Öffnung einer Systemleiterplatte einlötbar ist.
Das erfindungsgemäße Modul besteht demnach prinzipiell aus
einem Logikteil und einem konstruktiv eigenständigen bzw. un
abhängigen und deshalb standardisierbaren Leistungsteil. Da
die Anschlußstifte bereits Bestandteil des Leistungsteils
sind, können die vom mechanischen Design her standardisierten
Leistungsteile mittels Durchstecklötung auf einfache Weise
mit einem einzigen Schwallötvorgang mit dem Ansteuerteil ver
bunden werden. Die Ansteuerungs-Leiterplatte bietet dem Kun
den fast völlig freie Gestaltung der Ansteuerschaltung und
durch die an der Leiterplatte selbst ausgebildeten Kontakt
pads eine besonders einfache Verbindungsmöglichkeit zu einer
weiteren Leiterplatte. Derartige direkt in eine Systemleiter
platte einlötbare Leiterplatten sind zwar an sich seit kurzem
bekannt, sie wurden bisher jedoch nicht im Zusammenhang mit
Power-Modulen verwendet, die typischerweise robustere kon
struktive Gestaltungselemente wie Pins, Schrauben und Stecker
einsetzen, insbesondere nicht im Zusammenhang mit IPM's.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Draufsicht ein erfindungsge
mäßes Modul im noch nicht in eine Systemleiter
platte eingelöteten Zustand;
Fig. 2 in seitlicher Schnittdarstellung das gleiche Mo
dul wie in Fig. 1, jedoch im fertigen, eingelö
teten Zustand.
Fig. 1 zeigt beispielshalber ein Modul mit einem standardi
sierten Leistungsteil, bei dem beispielsweise ein Keramiksub
strat als Träger für Leistungsbauelemente 2 in ein Kunst
stoffgehäuse 1 als Bodenplatte eingesetzt ist. Üblicherweise
wird an der Unterseite der Bodenplatte ein Kühlkörper 3 befe
stigt. Die Ansteuerungs-Leiterplatte 4 ist in Fig. 1 und
Fig. 2 mit der Rückseite nach oben auf die oberen Enden der
Anschlußstifte 5 des Leistungsteils gesteckt, die auf der
Rückseite der Leiterplatte 4 schwallgelötet werden. Der von
Kontaktlöchern und Ansteuerungs-Bauelementen 12 frei bleiben
de Streifenbereich 6 der Ansteuerungs-Leiterplatte 4 muß je
denfalls breit genug sein, um ein Ausbilden von Kontaktpads 7
an der Leiterplatte 4 selbst und ein Durchstecken durch den
Öffnungsschlitz einer zweiten Leiterplatte, hier Systemlei
terplatte 8 genannt, zu erlauben. Fig. 2 zeigt ein in eine
Systemleiterplatte 8 eingelötetes Modul mit den Lötstellen 9.
Es ist vorteilhaft, wenn, wie in den Figuren dargestellt, die
Ansteuerungs-Leiterplatte 4 möglichst zu allen Seiten hin
größer als das Leistungsteil ist, dieses also überragt, da
dann die Leiterplatte 4 im Nutzen mit den Leistungsteilen be
stückt und verlötet und erst anschließend in die einzelnen
Module zerteilt werden kann. Die Leiterplatte 4 kann bei
spielsweise eine handelsübliche Kunststoffplatine, z. B. FR4,
sein.
Besonders vorteilhaft ist die in den Figuren dargestellte
Ausführung, bei der die Ansteuerungs-Bauelemente 12 möglichst
nur in einem Bereich der Ansteuerungs-Leiterplatte 4 angeord
net sind, der der Oberseite 11 des Leistungsteils direkt ge
genüber liegt. Daraus ergeben sich Schaltungs- und Platzvor
teile. Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen im Bereich von
100 kHz sollten die elektronischen Ansteuerungs-Bauelemente
12 so nah wie möglich an den Gates der Leistungshalbleiter
bauelemente 2 angeordnet sein. In Fig. 1 sind im übrigen Ab
standshalter 10 erkennbar, die integral am Gehäuse 1 ange
formt sind und die die Leiterplatte 4 und das Leistungsteil
gegenseitig abstützen. Die Anschlußstifte 5 des Leistungs
teils sind Vorteilhaft, wie dargestellt, reihenförmig entlang
der Außenränder der Oberseite des Leistungsteils angeordnet.
Das Gehäuse 1 ist in Fig. 1 nur verständnishalber mit einer
seitlichen Öffnung 13 dargestellt.
Der erfindungsgemäße konstruktive Aufbau mit der Kombination
einer kundenspezifischen Ansteuerungs-Leiterplatte, die di
rekt in eine zweite Leiterplatte einlötbar ist, mit einem
standardisierten Leistungsteil gewährleistet einerseits eine
einfache Bestückung und geringe Montagekosten. Andererseits
gewährleistet dieser Aufbau, daß sich wichtige Teile der An
steuerungsschaltung, wie beispielsweise Treiber, direkt über
bzw. unter den im Leistungsteil gehäusten Bauelementen 2 be
finden. Die Module sind in einem weiten Leistungsbereich ein
setzbar, z. B.: 600 V /5-30 A, 1200 V /2,5-15 A.
Claims (3)
1. Intelligentes Leistungsmodul, mit Steuer- und Leistungsan
schlüssen, bei dem parallel zu einem Substrat mit wenigstens
einem Leistungshalbleiterbauelement (2) in einer zweiten Ebe
ne eine Ansteuerungs-Leiterplatte (4) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Leistungssubstrat als Bodenplatte in ein Gehäuse (1) aus elektrisch isolierendem Material eingesetzt ist und mit diesem zusammen ein Leistungsteil bildet, aus dessen der An steuerungs-Leiterplatte (4) zugewandten Oberseite (11) wenig stens in einem Randbereich Anschlußstifte (5) herausragen,
- - die in Durchstecklötung mit Kontaktlöchern der Ansteue rungs-Leiterplatte (4) verlötet sind, wobei mindestens ein Streifenbereich (6) entlang einer Seite der Leiterplatte (4) von Kontaktlöchern und Ansteuerungs-Bauelementen (12) frei bleibt,
- - und daß die Leiterplatte (4) an dieser Seite Kontaktpads (7) als Steuer- und Leistungsanschlüsse aufweist, mittels de rer das Modul direkt in die schlitzartige Öffnung einer Systemleiterplatte (8) einlötbar ist.
2. Intelligentes Leistungsmodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ansteuerungs-Bauelemente (12) in einem Bereich der An
steuerungs-Leiterplatte (4) angeordnet sind, der der Obersei
te (11) des Leistungsteils direkt gegenüber liegt.
3. Intelligentes Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die im wesentlichen rechteckige Ansteuerungs-Leiterplatte (4)
die Oberseite (11) des Leistungsteils zu allen Seiten hin
überragt.
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