DE19924993C2 - Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein intelligentes Leistungsmodul gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Lötkontakte, 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.

In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die DE 43 05 793 A1 ein Leistungsmodul, bei dem das Leistungs-Halbleiterbauelement (oder mehrere Bauele­ mente) von einem Gehäuse umschlossen ist, das mit der Unterseite mittels Lotpaste auf einem Trägerkörper ange­ bracht ist. Die aus den gehäusten Leistungs-Halbleiter­ bauelementen seitlich herausgeführten Anschlußstifte sind abgewinkelt und durchsetzen die Ansteuerungs-Lei­ terplatte, wobei die Stellen für die Durchführung der Anschlußstifte beliebig sind mit der Maßgabe, daß sich an diesem Stellen keine Bauelemente auf der Ansteue­ rungs-Leiterplatte befinden dürfen.

Aus der DE 196 46 004 A1 ist ebenfalls ein Leistungsmo­ dul mit mehreren auf Distanz fixierten Leiterplatten be­ kannt, wobei die Kontaktstellen der auf den Leiterplat­ ten befindlichen elektrischen Bauelemente durch elektri­ sche Stifte verbunden sind.

Aus der US 5 484 965 A ist eine Leiterplattenanordnung zur Aufnahme eines Schaltungsmoduls bekannt, bei dem in einem Bereich der Leiterplatte eine Aussparung zur Auf­ nahme eines Moduls vorhanden ist und sich in der Nähe der Öffnung Kontaktpads befinden, die mit Kontakten des Moduls verbunden werden.

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 durch ein intelligentes Lei­ stungsmodul der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 erreicht.

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 beispielhalber 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 Anschlußsstifte 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 angeordnet 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 Lei­ stungsanschlüssen, bei dem parallel zu einem Substrat mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (2) in einer zweiten Ebene eine Ansteuerungs-Leiterplatte (4) angeordnet ist, wobei aus der der Ansteuerungs-Lei­ terplatte (4) zugewandten Seite (11) des Substrats mit dem Leistungshalbleiterbauelement (2) Anschlußstifte (5) herausragen, die in Durchstecklötung mit Kontaktlöchern der Ansteuerungs-Leiterplatte (4) verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des Leistungshalbleiterbauelements (2) als Bodenplatte in ein Gehäuse (1) aus elektrisch iso­ lierendem Material eingesetzt ist und mit diesem zusam­ men ein Leistungsteil bildet, aus dessen Oberseite min­ destens in einem Randbereich die Anschlußstifte (5) her­ ausragen, wobei mindestens ein Streifenbereich (6) ent­ lang 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 derer das Modul direkt in die schlitzartige Öffnung einer Sy­ stemleiterplatte (8) einlötbar ist.

2. Intelligentes Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerungs-Bauelement (12) in einem Bereich der Ansteuerungs-Leiterplatte (4) angeordnet sind, der der Oberseite (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 Sei­ ten hin überragt.