DE202019106541U1 - Power module with packaged power semiconductors for controllable electrical power supply to a consumer - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (1) zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers, wobei das Leistungsmodul (1) aufweist:- eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern (3) mit jeweils einer elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche (15),- eine Leiterplatte (5),- einen Kühlkörper (7),- eine oder mehrere Isolationsplatten (50),wobei die Leiterplatte (5) an einer dem Kühlkörper (7) in einer orthogonalen Richtung entgegengesetzten Seite der Leistungshalbleiter (3) angeordnet ist,wobei die Isolationsplatten (50) zwischen den gehäusten Leistungshalbleitern (3) und einer Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angeordnet ist,wobei je eine Isolationsplatte (50) mit einer Seite formschlüssig an je eine elektrisch nicht isolierte Wärmeabführfläche (15) eines gehäusten Leistungshalbleiters (3) angebunden ist und mit der anderen Seite formschlüssig an den Kühlkörper (7) angebunden ist.Power module (1) for controllable electrical power supply to a consumer, the power module (1) comprising: - a plurality of housed power semiconductors (3), each with an electrically non-insulated heat dissipation surface (15), - a printed circuit board (5), - a heat sink ( 7), - one or more insulation plates (50), the circuit board (5) being arranged on a side of the power semiconductors (3) opposite the heat sink (7) in an orthogonal direction, the insulation plates (50) being arranged between the housed power semiconductors ( 3) and a cooling surface (17) of the heat sink (7) is arranged, an insulation plate (50) with one side being positively connected to an electrically non-insulated heat dissipation surface (15) of a housed power semiconductor (3) and with the other side is positively connected to the heat sink (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers.The invention relates to a power module with packaged power semiconductors for controllable electrical power supply to a consumer.

Leistungsmodule werden dazu eingesetzt, Verbraucher wie zum Beispiel Elektromotoren mit einer für deren Betrieb notwendigen elektrischen Leistung in steuerbarer Weise zu versorgen. Solche Leistungsmodule werden teilweise auch als Powermodule, Inverter, Wandler oder Wechselrichter bezeichnet.Power modules are used to supply consumers, such as electric motors, with the electrical power necessary for their operation in a controllable manner. Such power modules are sometimes also referred to as power modules, inverters, converters or inverters.

Beispielsweise können Leistungsmodule dazu eingesetzt werden, in einem Fahrzeug elektrische Leistung von einer Batterie hin zu einem als Antrieb dienenden Elektromotor geregelt zur Verfügung zu stellen. Die steuerbare Leistungsversorgung kann dabei im Bereich von einigen Kilowatt bis hin zu mehreren 100 kW reichen.For example, power modules can be used to provide electrical power in a vehicle in a regulated manner from a battery to an electric motor serving as a drive. The controllable power supply can range from a few kilowatts to several 100 kW.

Die Leistungsmodule verfügen hierzu in der Regel über Leistungshalbleiter-Bauelemente (nachfolgend kurz als „Leistungshalbleiter“ bezeichnet) beispielsweise in Form von IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode; englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor), SiCs (Leistungsmodule mit Siliziumkarbid-MOSFETs) oder Power-MOSFETS, welche von einem Ansteuerschaltkreis gesteuert werden.For this purpose, the power modules generally have power semiconductor components (hereinafter referred to as “power semiconductors”), for example in the form of IGBTs (bipolar transistor with insulated gate electrode; English: insulated gate bipolar transistor), SiCs (power modules with silicon carbide MOSFETs) or power MOSFETs, which are controlled by a drive circuit.

Bei herkömmlichen Leistungsmodulen werden IGBTs oder SiC-Chips auf ein sogenanntes DCB (engl. Direct Copper Bonded), also eine Struktur, die eine enge elektrische und thermische Verbindung elektronischer Bauteile und Chips über Kupfer ermöglicht, aufgebracht, d.h. zum Beispiel aufgelötet oder aufgesintert. Das DCB kann dann beispielsweise auf eine Kupferplatte mit Kühlstruktur gesintert oder gelötet werden. Das Gesamtgebilde kann dann mediendicht ummoldet werden.In conventional power modules, IGBTs or SiC chips are applied to a so-called DCB (Direct Copper Bonded), i.e. a structure that enables a close electrical and thermal connection of electronic components and chips over copper, i.e. for example soldered or sintered on. The DCB can then be sintered or soldered onto a copper plate with a cooling structure, for example. The entire structure can then be encased in a media-tight manner.

Alternativ werden bei herkömmlichen Leistungsmodulen IGBT-Bauteile über ein sogenanntes Thermal-Interface-Material wie zum Beispiel eine Folie oder eine thermisch leitfähige Paste auf einen Kühlkörper montiert. Alternativ kann ein elektrisch isoliertes Gehäuse solcher Bauteile direkt auf den Kühlkörper gelötet bzw. gesintert werden. Eine elektrische Anbindung erfolgt in diesem Fall beispielsweise durch Aufschweißen auf ein Stanzgitter bzw. indem die Bauteile über Through-hole-Technik mit einer Leiterplatte verlötet werden.Alternatively, in conventional power modules, IGBT components are mounted on a heat sink using a so-called thermal interface material such as a film or a thermally conductive paste. Alternatively, an electrically insulated housing of such components can be soldered or sintered directly onto the heat sink. In this case, an electrical connection is made, for example, by welding onto a lead frame or by soldering the components to a printed circuit board using through-hole technology.

In der nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 206 523.6 ist ein Leistungsmodul beschrieben, bei welchem die Wärmeabführfläche, auch als „exposed pad“ bezeichnet, eines gehäusten Leistungshalbleiters auf einem Kühlkörper aufgebracht ist. Nachteilig hierbei ist, dass es erforderlich ist die Wärmeabführfläche des gehäusten Leistungshalbleiters elektrisch zu isolieren, bevor sie mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden kann. Diese elektrische Isolierung erfolgt üblicherweise schaltungselektrisch innerhalb des Leistungshalbleiters, wodurch der Aufbau des Leistungshalbleiters komplex ist und somit kostenintensiv.In the unpublished German patent application DE 10 2019 206 523.6 describes a power module in which the heat dissipation surface, also referred to as an “exposed pad”, of a packaged power semiconductor is applied to a heat sink. The disadvantage here is that it is necessary to electrically insulate the heat dissipation surface of the packaged power semiconductor before it can be thermally connected to the heat sink. This electrical insulation is usually circuit-electrical within the power semiconductor, which means that the structure of the power semiconductor is complex and therefore cost-intensive.

Aufgabe der Erfindung ist es somit ein alternatives Leistungsmodul mit nicht elektrisch isolierten Leistungshalbleitern anzugeben.The object of the invention is therefore to provide an alternative power module with non-electrically insulated power semiconductors.

Diese Aufgaben können durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.These tasks can be solved by the subject matter of the independent claim. Further embodiments of the invention result from the dependent claims and from the following description.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers. Dabei weist das Leistungsmodul eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern mit jeweils einer elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche, eine Leiterplatte, einen Kühlkörper und eine oder mehrere Isolationsplatten auf. Die Leiterplatte ist an einer dem Kühlkörper in einer orthogonalen Richtung entgegengesetzten Seite der Leistungshalbleiter angeordnet ist. Die Isolationsplatten sind zwischen den gehäusten Leistungshalbleitern und einer Kühloberfläche des Kühlkörpers angeordnet. Je eine Isolationsplatte ist mit einer Seite formschlüssig an je eine elektrisch nicht isolierte Wärmeabführfläche eines gehäusten Leistungshalbleiters und mit der anderen Seite formschlüssig an den Kühlkörper angebunden.One aspect of the invention relates to a power module for controllable electrical power supply to a consumer. The power module has a plurality of packaged power semiconductors, each with an electrically non-insulated heat dissipation surface, a printed circuit board, a heat sink and one or more insulation plates. The circuit board is arranged on a side of the power semiconductor that is opposite the heat sink in an orthogonal direction. The insulation plates are arranged between the packaged power semiconductors and a cooling surface of the heat sink. One insulation plate is positively connected to one side of an electrically non-insulated heat dissipation surface of a housed power semiconductor and the other side is positively connected to the heat sink.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Wärmeabführflächen von mehreren gehäusten Leistungshalbleitern an eine gemeinsame Isolationsplatte angebunden sind.Of course, it is also possible for the heat dissipation surfaces of several housed power semiconductors to be connected to a common insulation plate.

Da bei Leistungshalbleitern stets ein Teil der durchgeleiteten elektrischen Leistung in Form von Verlusten zu einer Erwärmung der Leistungshalbleiter führt, verfügen die gehäusten Leistungshalbleiter, wie bereits oben beschrieben, an einer Außenseite über eine Wärmeabführfläche. Eine solche Wärmeabführfläche wird teilweise auch als „exposed pad“ bezeichnet. Die Wärmeabführfläche kann als eine in den gehäusten Leistungshalbleiter integrierte und an einer Oberfläche freiliegende Schicht oder Platte aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel einem Metall, insbesondere Kupfer, ausgebildet sein. Bei der vorliegenden Erfindung sind diese Wärmeabführflächen nicht elektrisch isoliert.Since, in the case of power semiconductors, part of the electrical power passed through leads to heating of the power semiconductors in the form of losses, the packaged power semiconductors, as already described above, have a heat dissipation surface on the outside. Such a heat dissipation surface is sometimes also referred to as an “exposed pad”. The heat dissipation surface can be embodied as a layer or plate which is integrated in the packaged power semiconductor and is exposed on a surface and is made of a highly thermally conductive material such as a metal, in particular copper. In the present invention, these heat dissipation surfaces are not electrically isolated.

Bei dem hier beschriebenen Gesamtaufbaukonzept für ein Leistungsmodul ist jeder der gehäusten Leistungshalbleiter über eine Isolationsplatte an eine Kühloberfläche des Kühlkörpers thermisch angebunden. Hierzu kontaktiert die Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters die Isolationsplatte, welche wiederum die Kühloberfläche des Kühlkörpers in thermisch gut leitender Weise kontaktiert. Die Isolationsplatte kann dabei aus einer Keramik gefertigt sein und weist auf einer dem Leistungshalbleiter zugewandten Seite eine Metallisierung und auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seite ebenfalls eine Metallisierung auf. Der Leistungshalbleiter ist dabei formschlüssig, z.B. mittels Löten, Sintern, Kleben auf einer Seite an die Isolationsplatte aufgebracht. Ferner ist die Isolationsplatte formschlüssig auf einer anderen Seite auf den Kühlkörper, z.B. mittels Löten, Sintern, Kleben aufgebracht.In the overall design concept for a power module described here, each of the housed power semiconductors is thermal via an insulation plate to a cooling surface of the heat sink tethered. For this purpose, the heat dissipation surface of the power semiconductor contacts the insulation plate, which in turn contacts the cooling surface of the heat sink in a thermally highly conductive manner. The insulation plate can be made of a ceramic and has a metallization on a side facing the power semiconductor and also a metallization on a side facing the heat sink. The power semiconductor is positively attached to the insulation plate on one side, for example by means of soldering, sintering, gluing. Furthermore, the insulation plate is positively applied to the heat sink on another side, for example by means of soldering, sintering, gluing.

Damit ist es möglich eine optimale formschlüssige Verbindung zwischen der Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters und der Isolationsplatte einerseits und der Isolationsplatte und dem Kühlkörper andererseits zu erzielen. Dadurch wird eine elektrische Isolierung zwischen der Wärmeabführfläche des Leistungshalbleiters und dem Kühlkörper bei gleichzeitig optimaler thermischer Ankopplung erreicht.This makes it possible to achieve an optimal positive connection between the heat dissipation surface of the power semiconductor and the insulation plate on the one hand and the insulation plate and the heat sink on the other. This achieves electrical insulation between the heat dissipation surface of the power semiconductor and the heat sink, while at the same time providing optimal thermal coupling.

Um Wärme aus den Leistungshalbleitern ableiten zu können, verfügt das Leistungsmodul, wie oben beschrieben, über einen Kühlkörper. Dieser Kühlkörper kann beispielsweise eine Metallplatte, insbesondere eine Kupferplatte sein. Gegebenenfalls kann der Kühlkörper über eine integrierte Kühlstruktur wie zum Beispiel Kühlrippen verfügen. Der Kühlkörper kann passiv gekühlt sein, beispielsweise durch Strahlungsaustausch und/oder Wärmeaustausch mit einem Umgebungsmedium. Alternativ kann der Kühlkörper aktiv gekühlt sein, beispielsweise durch ein durchströmendes Kühlmedium.In order to be able to dissipate heat from the power semiconductors, the power module has a heat sink, as described above. This heat sink can be, for example, a metal plate, in particular a copper plate. If necessary, the heat sink can have an integrated cooling structure, such as cooling fins. The heat sink can be passively cooled, for example by radiation exchange and / or heat exchange with an ambient medium. Alternatively, the cooling body can be actively cooled, for example by a cooling medium flowing through.

Die Leiterplatte des Leistungsmoduls ist bei dem hier vorgeschlagenen Konzept an einer Seite der Leistungshalbleiter angeordnet, die in der orthogonalen Richtung entgegengesetzt zu der Seite ist, an der der Kühlkörper angeordnet ist. Anders ausgedrückt kann der Kühlkörper beispielsweise unterhalb der Leistungshalbleiter angeordnet sein, wohingegen dann die Leiterplatte oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnet ist. Die Leiterplatte kann dabei den gesamten Bereich, in dem die Leistungshalbleiter des Leistungsmoduls angeordnet sind, überdecken bzw. seitlich, d.h. quer zu der orthogonalen Richtung, sogar über diesen Bereich hinausgehen.In the concept proposed here, the circuit board of the power module is arranged on one side of the power semiconductor, which is opposite in the orthogonal direction to the side on which the heat sink is arranged. In other words, the heat sink can be arranged, for example, below the power semiconductors, whereas the circuit board is then arranged above the power semiconductors. The circuit board can cover the entire area in which the power semiconductors of the power module are arranged or laterally, i.e. across the orthogonal direction, even beyond this area.

Die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter sollen dann die Leiterplatte elektrisch kontaktieren, um über diese beispielsweise elektrische Signale und/oder elektrische Leistung empfangen zu können. Hierzu sind an der Leiterplatte in einer ersten Variante an der zu den Leistungshalbleitern hin gerichteten Oberfläche Anschlussflächen vorgesehen, die elektrisch leitfähig sind und beispielsweise aus Metall bestehen.The connection elements of the power semiconductors should then make electrical contact with the printed circuit board in order to be able to receive electrical signals and / or electrical power, for example. For this purpose, in a first variant, connection surfaces are provided on the printed circuit board on the surface facing the power semiconductors, which are electrically conductive and consist, for example, of metal.

Beispielsweise können die Anschlusselemente mit Anschlussflächen an der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte elektrisch verbunden werden. Die parallel zu der Leiterplatte verlaufenden Anschlusselemente können hierbei an die Anschlussflächen der Leiterplatte angelagert und dann mit diesen elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Verlöten oder Schweißen. Insbesondere kann hierzu ein als Spaltkopflöten bezeichnetes Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Anschlusselemente an die Anschlussflächen angepresst werden und dann ein elektrischer Strom hindurchgeführt wird, mithilfe dessen Wärme zum Aufschmelzen eines Lots erzeugt wird.For example, the connection elements can be electrically connected to connection surfaces on the side of the circuit board facing the heat sink. The connection elements running parallel to the printed circuit board can be attached to the connection surfaces of the printed circuit board and then electrically connected to it, for example by soldering or welding. In particular, a method referred to as split-head soldering can be used for this purpose, in which the connection elements are pressed onto the connection surfaces and an electrical current is then passed through, with the aid of which heat is generated for melting a solder.

In einer anderen Variante der Erfindung weist die Leiterplatte Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen, auch als vias oder via holes bekannt, weisen eine Metallisierung auf und dienen dabei als Anschlussfläche mit denen die Anschlusselemente der Leistungshalbleiter kontaktiert sind (Through-hole-Technologie). Die Anschlusselemente werden dann in den Durchbrechungen z.B. verlötet.In another variant of the invention, the printed circuit board has openings. These openings, also known as vias or via holes, have a metallization and serve as a connection surface with which the connection elements of the power semiconductors are contacted (through-hole technology). The connection elements are then in the openings e.g. soldered.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Leistungsmodul ferner eine Dichtmasse aufweisen, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte gegen eine Umgebung hin abdeckt.According to one embodiment, the power module can furthermore have a sealing compound which covers both the housed power semiconductors and at least partial regions of the printed circuit board against an environment.

Je nach Einsatzbedingungen kann es notwendig sein, Komponenten des Leistungsmoduls gegen eine Umgebung hin zu verkapseln, um sie beispielsweise vor einem Kontakt mit umgebenden fluiden Medien oder Verschmutzungen wie z.B. Metallspäne zu schützen. Beispielsweise sollte vermieden werden, dass Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser in Kontakt mit Komponenten des Leistungsmoduls gelangt, um beispielsweise elektrische Kurzschlüsse und/oder Korrosion zu vermeiden. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen ein Leistungsmodul innerhalb von sehr aggressiven Medien wie beispielsweise im Innern eines mit aggressivem Öl gefluteten Getriebes eingesetzt werden sollen, sollten die Komponenten des Leistungsmoduls dicht eingepackt bzw. verkapselt sein.Depending on the operating conditions, it may be necessary to encapsulate components of the power module against an environment in order to prevent them from coming into contact with surrounding fluid media or contaminants such as e.g. Protect metal shavings. For example, it should be avoided that liquids such as water come into contact with components of the power module, for example to avoid electrical short circuits and / or corrosion. Especially in applications in which a power module is to be used within very aggressive media, such as inside a gearbox flooded with aggressive oil, the components of the power module should be tightly wrapped or encapsulated.

Zu diesem Zweck kann das Leistungsmodul eine Dichtmasse aufweisen, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte gegen eine Umgebung hin abdeckt. Die Dichtmasse kann beispielsweise aus einem Material bestehen, welches sich flüssig oder viskos verarbeiten lässt und anschließend ausgehärtet werden kann. Beispielsweise kann die Dichtmasse mit einem Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff, einem thermoplastischen Kunststoff, einem Polymer und/oder einem Elastomer ausgebildet sein. Die Dichtmasse kann beispielsweise durch Spritzen, Molden, Gießen oder andere Prozesse verarbeitet werden.For this purpose, the power module can have a sealing compound which covers both the housed power semiconductors and at least partial areas of the printed circuit board against an environment. The sealing compound can consist, for example, of a material that can be processed in liquid or viscous form and can then be cured. For example, the sealing compound can be made with a plastic, in particular a thermosetting plastic, a thermoplastic Plastic, a polymer and / or an elastomer can be formed. The sealant can be processed, for example, by spraying, molding, pouring or other processes.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.

  • 1 und 2 zeigen Schnittansichten durch Leistungsmodule gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the attached figures.
  • 1 and 2 show sectional views through power modules according to various embodiments of the present invention.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.The reference symbols used in the figures and their meaning are summarized in the list of reference symbols. In principle, identical or similar parts are provided with the same reference symbols. The figures are only schematic and are not to scale.

1 und 2 zeigen jeweils Schnittansichten durch ein Leistungsmodul 1 zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers (nicht dargestellt) wie beispielsweise eines Elektromotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine leicht modifizierte Variante des Leistungsmoduls 1 aus 1. 1 and 2 each show sectional views through a power module 1 for controllable electrical power supply to a consumer (not shown) such as an electric motor in an electrically powered vehicle. 2 shows a sectional view through a slightly modified variant of the power module 1 out 1 ,

Das Leistungsmodul 1 umfasst mehrere gehäuste Leistungshalbleiter 3, mehrere Isolationsplatten 50, eine Leiterplatte 5, einen Kühlkörper 7, sowie eine Dichtmasse 9. Der Kühlkörper 7 kann als Kühlplatte aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer ausgebildet sein und gegebenenfalls über Kühlstrukturen 21 verfügen. An der Leiterplatte 5 sind elektrische und/oder elektronische Bauelemente 11 vorgesehen, welche einen Ansteuerschaltkreis 13 zum Ansteuern der Leistungshalbleiter 3 bilden. Elektrische Leistung kann beispielsweise von einer Batterie über Außenanschlüsse (nicht dargestellt) eingespeist werden und über andere Außenanschlüsse (nicht dargestellt) dann gesteuert von dem Leistungsmodul 1 beispielsweise an Motorphasen eines Elektromotors geliefert werden.The power module 1 includes several packaged power semiconductors 3 , several insulation plates 50 , a circuit board 5 , a heat sink 7 , as well as a sealant 9 , The heat sink 7 can be designed as a cooling plate made of a metal such as copper and optionally via cooling structures 21 feature. On the circuit board 5 are electrical and / or electronic components 11 provided which is a drive circuit 13 to control the power semiconductors 3 form. Electrical power can be fed in, for example, from a battery via external connections (not shown) and then controlled by the power module via other external connections (not shown) 1 can be supplied, for example, to motor phases of an electric motor.

Jeder der Leistungshalbleiter 3 weist an seiner hin zu dem Kühlkörper 7 gerichteten Außenseite eine Wärmeabführfläche 15 auf. An dieser Wärmeabführfläche 15 ist an dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 eine metallische Fläche oder Platte vorgesehen, über die Wärme, die im Innern des gehäusten Leistungshalbleiters 3 beispielsweise von einem dort befindlichen, leistungssteuernden Halbleiterbauelement wie einem IGBT, einem SiC oder einem Power-MOSFET erzeugt wird, abgeleitet werden kann.Each of the power semiconductors 3 points towards the heat sink 7 facing outside a heat dissipation surface 15 on. At this heat dissipation surface 15 is on the packaged power semiconductor 3 a metallic surface or plate is provided, via the heat that is inside the packaged power semiconductor 3 for example from a power control semiconductor component located there, such as an IGBT, an SiC or a power MOSFET, can be derived.

Die gehäusten Leistungshalbleiter 3 verfügen dabei jeweils über elektrisch leitfähige Anschlusselemente 23. Die Anschlusselemente 23 dienen dazu, leistungssteuernde Strukturen beispielsweise in Form von Halbleiterbauelementen im Innern der gehäusten Leistungshalbleiter 3 elektrisch anzubinden, um diese mit Steuersignalen und/oder der zu steuernden elektrischen Leistung zu versorgen.The housed power semiconductors 3 each have electrically conductive connection elements 23 , The connection elements 23 serve to control power structures, for example in the form of semiconductor components inside the packaged power semiconductors 3 connect electrically to supply them with control signals and / or the electrical power to be controlled.

Jeder der gehäusten Leistungshalbleiter 3 ist mit einer Isolationsplatte 50 verbunden. Die Isolationsplatte 50 ist hierbei zwischen dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 und dem Kühlkörper 7 angeordnet. Die Isolationsplatte 50 weist auf einer dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 zugewandten Oberseite 51a und auf einer dem Kühlkörper 7 zugewandten Unterseite 51b jeweils eine Metallisierung 51 auf. Zwischen der Metallisierung 51 und dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 sowie zwischen der Metallisierung 51 und dem Kühlkörper 7 sind ferner jeweils Lotpreforms 52 angeordnet.Each of the packaged power semiconductors 3 is with an insulation plate 50 connected. The insulation plate 50 is here between the packaged power semiconductor 3 and the heat sink 7 arranged. The insulation plate 50 points to one of the packaged power semiconductors 3 facing top 51a and on one the heat sink 7 facing bottom 51b one metallization each 51 on. Between the metallization 51 and the packaged power semiconductor 3 as well as between the metallization 51 and the heat sink 7 are also solder reforms 52 arranged.

Die Lotpreforms 52 sind auf den jeweiligen Seiten 51a, 5b der Isolationsplatte 50 mit den Metallisierungen 51 thermisch verbunden. Während eines Lötprozesses verbinden auf der einen Seite 51a der Isolationsplatte 50 die Lotpreforms 52 die Isolationsplatte 50 mit der Wärmeabführfläche 15 des Leistungshalbleiters 3. Auf der anderen Seite 51b der Isolationsplatte verbinden die Lotpreforms 52 die Isolationsplatte 50 mit der Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7. Die Isolationsplatte 50 ist somit wärmeleitfähig an die Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 3 angebunden. Ferner ist die Wärmeabführfläche 15 des gehäusten Leistungshalbleiters 3 wärmeleitfähig über die Isolationsplatte 50 an die Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 angebunden.The solder reforms 52 are on the respective pages 51a . 5b the insulation plate 50 with the metallizations 51 thermally connected. During a soldering process, connect on one side 51a the insulation plate 50 the solder reforms 52 the insulation plate 50 with the heat dissipation surface 15 of the power semiconductor 3 , On the other hand 51b of the insulation plate connect the solder preforms 52 the insulation plate 50 with the cooling surface 17 of the heat sink 7 , The insulation plate 50 is therefore thermally conductive to the cooling surface 17 of the heat sink 3 tethered. Furthermore, the heat dissipation surface 15 of the packaged power semiconductor 3 thermally conductive via the insulation plate 50 to the cooling surface 17 of the heat sink 7 tethered.

Ein Lotpreform besteht aus Lotmaterial und kann z. B. in Form einer Scheibe oder als Folie vorliegen. Zur Positionierung der Preforms auf dem Träger können z. B. Lötrahmen verwendet werden, durch deren Geometrie die Position des Preforms und der zu lötenden Bauelemente auf dem Träger definiert werden. Die Geometrie wird also durch den Lötrahmen bestimmt, und diese müssen bei der Fertigung unterschiedlicher Baugruppen entsprechend vorgehalten werden. Es ist aber auch möglich, dass ein Lotpreform mittels SMD-Technologie aufgebracht ist.A solder preform consists of solder material and can e.g. B. in the form of a disc or as a film. To position the preforms on the carrier z. B. soldering frames are used, the geometry of which defines the position of the preform and the components to be soldered on the carrier. The geometry is therefore determined by the soldering frame, and these have to be kept in stock when manufacturing different assemblies. However, it is also possible for a solder preform to be applied using SMD technology.

Die Leiterplatte 5 ist an einer Seite der Leistungshalbleiter 3 angeordnet, die in orthogonaler Richtung der Seite, an der der Kühlkörper 7 angeordnet ist, entgegengesetzt ist. Anders ausgedrückt befinden sich die Leistungshalbleiter 3 zwischen dem Kühlkörper 7 und der Leiterplatte 5.The circuit board 5 is on one side of the power semiconductor 3 arranged in the orthogonal direction of the side on which the heat sink 7 is arranged, is opposite. In other words, the power semiconductors are located 3 between the heat sink 7 and the circuit board 5 ,

Die Anschlusselemente 23 der Leistungshalbleiter 3 sind derart angeordnet, dass die Anschlusselemente 23 Anschlussflächen 25 an der Leiterplatte 5 elektrisch kontaktieren. Bei der in den 1 dargestellten Ausführungsform sind hierzu die länglichen Anschlusselemente 23 seitlich neben den Leistungshalbleiter 3 angeordnet und kontaktieren dort die Anschlussflächen 25.The connection elements 23 the power semiconductor 3 are arranged such that the connection elements 23 pads 25 on the circuit board 5 electrical contact. In the in the 1 The embodiment shown here are the elongated connection elements 23 to the side of the Power semiconductor 3 arranged and contact the connection surfaces there 25 ,

2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Ausführungsform. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird in der Beschreibung zu 2 lediglich auf die Änderungen zu 1 eingegangen. 2 shows a variant of the in 1 illustrated embodiment. To avoid repetitions, the description is too 2 just to the changes 1 received.

Die Leiterplatte 5 weist Durchbrechungen 60 auf. Diese Durchbrechungen 60, auch als vias oder via holes bezeichnet, weisen eine Metallisierung auf und dienen somit neben Anschlussflächen 25 auf der Unter- und/oder Oberseite der Leiterplatte 5 als Anschlussflächen 25 für die Anschlusselemente 23 der Leistungshalbleiter 3. Die Durchbrechungen 60 sind dabei derart ausgebildet, dass die Anschlusselemente 23 durch die Leiterplatte 5 durchgreifen können. Damit ist es möglich, dass die Anschlusselemente 23 auf einer Seite der Leiterplatte 5, welche den Leistungshalbleitern 3 entgegengerichtet ist, an den Anschlussflächen 25 befestigt, z.B. verlötet werden können.The circuit board 5 shows breakthroughs 60 on. These breakthroughs 60 , also known as vias or via holes, have a metallization and thus serve alongside connection areas 25 on the bottom and / or top of the circuit board 5 as connection areas 25 for the connection elements 23 the power semiconductor 3 , The breakthroughs 60 are designed such that the connection elements 23 through the circuit board 5 can take hold. This makes it possible for the connection elements 23 on one side of the circuit board 5 which the power semiconductors 3 is opposite, on the connection surfaces 25 attached, for example, can be soldered.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Leistungsmodulpower module
33
LeistungshalbleiterPower semiconductor
55
Leiterplattecircuit board
77
Kühlkörperheatsink
99
Dichtmassesealant
1111
Bauelementecomponents
1313
Ansteuerschaltkreisdrive circuit
1515
Wärmeabführflächeheat dissipation
1717
Kühloberflächecooling surface
2121
Kühlstrukturencooling structures
2323
Anschlusselementeconnection elements
2525
Anschlussflächenpads
5050
Isolationsplatteinsulation plate
5151
Metallisierungmetallization
51a51a
Oberseite der IsolationsplatteTop of the insulation plate
51 b51 b
Unterseite der IsolationsplatteBottom of the insulation plate
5252
LotpreformLotpreform
6060
Durchbrechungperforation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102019206523 [0007]DE 102019206523 [0007]

Claims (6)

Leistungsmodul (1) zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers, wobei das Leistungsmodul (1) aufweist: - eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern (3) mit jeweils einer elektrisch nicht isolierten Wärmeabführfläche (15), - eine Leiterplatte (5), - einen Kühlkörper (7), - eine oder mehrere Isolationsplatten (50), wobei die Leiterplatte (5) an einer dem Kühlkörper (7) in einer orthogonalen Richtung entgegengesetzten Seite der Leistungshalbleiter (3) angeordnet ist, wobei die Isolationsplatten (50) zwischen den gehäusten Leistungshalbleitern (3) und einer Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angeordnet ist, wobei je eine Isolationsplatte (50) mit einer Seite formschlüssig an je eine elektrisch nicht isolierte Wärmeabführfläche (15) eines gehäusten Leistungshalbleiters (3) angebunden ist und mit der anderen Seite formschlüssig an den Kühlkörper (7) angebunden ist.Power module (1) for controllable electrical power supply to a consumer, the power module (1) having: - a plurality of housed power semiconductors (3), each with an electrically non-insulated heat dissipation surface (15), - a printed circuit board (5), - a heat sink (7), - one or more insulation plates (50), wherein the circuit board (5) is arranged on a side of the power semiconductors (3) opposite the heat sink (7) in an orthogonal direction, the insulation plates (50) being arranged between the packaged power semiconductors (3) and a cooling surface (17) of the heat sink (7), one insulation plate (50) is positively connected on one side to one electrically non-insulated heat dissipation surface (15) of a housed power semiconductor (3) and the other side is positively connected to the heat sink (7). Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsplatten auf einer dem gehäusten Leistungshalbleiter (3) zugewandten Seite und auf einer der Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) zugewandten Seite jeweils eine elektrisch leitfähige Metallisierung (51) aufweist.Power module after Claim 1 , characterized in that the insulation plates each have an electrically conductive metallization (51) on a side facing the packaged power semiconductor (3) and on a side facing the cooling surface (17) of the heat sink (7). Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsplatte aus einer Keramik gefertigt ist.Power module according to one of the Claims 1 and 2 , characterized in that the insulation plate is made of a ceramic. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (23) Anschlussflächen (25) an der Leiterplatte (5) parallel zu den Anschlussflächen (25) verlaufend elektrisch kontaktieren.Power module according to one of the Claims 1 and 3 , characterized in that the connection elements (23) electrically contact connection surfaces (25) on the printed circuit board (5) parallel to the connection surfaces (25). Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (23) Anschlussflächen (25) in Durchbrechungen (60) der Leiterplatte (5) kontaktieren.Power module according to one of the Claims 1 and 4 , characterized in that the connection elements (23) contact connection surfaces (25) in openings (60) in the printed circuit board (5). Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) eine Dichtmasse (9) aufweist, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter (3) als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte (5) gegen eine Umgebung hin abdeckt.Power module according to one of the Claims 1 and 5 , characterized in that the power module (1) has a sealing compound (9) which covers both the housed power semiconductors (3) and at least partial areas of the printed circuit board (5) against an environment.
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