DE212022000168U1 - Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (1), aufweisend
mehrere Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) und ein Anschlusselement (2) mit einem Anschluss (3, 3') zur elektrischen Verbindung eines oder mehrerer der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) nach außen,
wobei das Anschlusselement (2) mehrere Abschnitte (17, 18, 19) und mindestens einen Zwischenfuß (4, 4', 28) aufweist, der mit einem der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) in Kontakt ist, wobei sich der Zwischenfuß (4, 4', 28) zwischen zwei der Abschnitte (17, 18, 19) befindet,
wobei das Anschlusselement (2) mindestens zwei elektrisch parallel oder in Reihe geschaltete Zwischenfüße (4, 4', 28) umfasst,
wobei jeder der Zwischenfüße (4, 4', 28) zwei Enden umfasst, wobei jedes der Enden mit einem der Abschnitte (17, 18, 19) verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul kann in Leistungselektronikvorrichtungen wie z. B. Motorantrieben oder Leistungsumrichtern in Elektrofahrzeugen (EV) eingesetzt werden. Das Leistungsmodul kann ein Leistungshalbleitermodul sein. Das Leistungsmodul kann ein Hochspannungs-Leistungsmodul sein.
  • Die Dokumente CN 105655306 A und CN 110060971 A offenbaren ein Leistungsmodul aufweisend Metallklammern zur Verbindung von Substratmetallisierungen und Chips. Alternativ können derartige Verbindungen auch durch Drahtbondverbindungen bereitgestellt werden. In beiden Fällen sind separate stromleitende Anschlusselemente zur Verbindung des Leistungsmoduls nach außen bereitgestellt. Das Dokument EP 3 065 164 A1 offenbart eine Halbleiteranordnung, bei der Halbleitervorrichtungen in zwei Reihen an gegenüberliegenden Seiten eines Interposers angeordnet sind. Leitende Elemente sind bereitgestellt, um einen entsprechenden Strom in die Leistungshalbleiteranordnung zu induzieren.
  • Ausführungsformen der Offenbarung betreffen ein Leistungsmodul mit einer verbesserten Verbindung nach außen und den Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.
  • Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein Leistungsmodul mehrere Kontaktbereiche und ein Anschlusselement mit einem Anschluss zur elektrischen Verbindung eines oder mehrerer der Kontaktbereiche nach außen auf. Ein externer Kontakt kann z. B. durch eine Schraub- und Bolzenverbindung elektrisch und mechanisch mit dem Anschluss verbunden werden. Andere geeignete Verbindungsverfahren für die Montage eines externen Kontakts sind z. B. Schweißen, Löten, Kleben und Presspassung.
  • Ein Kontaktbereich kann z. B. in Form einer Metallisierung auf einem Substrat oder eines elektrisch leitenden Bereichs auf einer Oberfläche einer elektrischen Komponente sein. Eine elektrische Komponente kann z. B. ein Chip sein. Die elektrische Komponente kann sich auf einer Metallisierung auf einem Substrat befinden. Das Anschlusselement kann Metallisierungen eines oder mehrerer Substrate miteinander verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann das Anschlusselement elektrische Komponenten mit Metallisierungen verbinden oder elektrische Komponenten mit elektrischen Komponenten verbinden.
  • Das Anschlusselement kann aus einem einzigen Stück gebildet sein. Das Anschlusselement kann aus einer Metallplatte gebildet sein. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement aus zwei oder mehr Teilen besteht oder zwei oder mehr Teile umfasst, die zusammengefügt sind. Jedes der zwei oder mehr Teile kann aus einer Metallplatte gebildet sein. Die Teile können aus Materialien mit unterschiedlicher Härte gebildet sein oder eine unterschiedliche Dicke haben. Als Beispiel kann Kupfer mit unterschiedlicher Härte verwendet werden.
  • Der Anschluss kann die Form eines Hauptanschlusses haben, z. B. eines stromleitenden Anschlusses. Es ist auch möglich, dass der Anschluss ein Hilfsanschluss zu Steuer- oder Überwachungszwecken ist. Hilfsanschlüsse können zum Beispiel Signalanschlüsse zur Steuerung von Schaltvorrichtungen umfassen.
  • Das Anschlusselement umfasst mindestens einen Fuß, der mit einem der Kontaktbereiche elektrisch in Kontakt ist. Das Anschlusselement kann mindestens zwei Füße umfassen. Mindestens einer der Füße des Anschlusselements ist ein Zwischenfuß. Außerdem kann mindestens einer der Füße des Anschlusselements ein Endfuß sein. Während ein Endfuß freistehend ist, d. h. mit nur einem Abschnitt des Anschlusselements verbunden ist, befindet sich ein Zwischenfuß zwischen zwei Abschnitten des Anschlusselements. Beispielsweise ist ein Endfuß nur an einem Ende mit einem Abschnitt des Anschlusselements verbunden, während ein Zwischenfuß an zwei Enden mit Abschnitten des Anschlusselements verbunden ist.
  • Ein Zwischenfuß kann sich beispielsweise zwischen dem Anschluss und dem Endfuß befinden. In diesem Fall führt ein Strompfad von dem Anschluss zu dem Endfuß durch den Zwischenfuß. Der Zwischenfuß wird nachstehend auch als „Masche“ und der Anschluss aufweisend einen Zwischenfuß nachstehend auch als „Maschenanschluss“ bezeichnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Anschlusselement mehrere in Reihe angeordnete Zwischenfüße umfassen. Dementsprechend verläuft ein Strompfad von dem Anschluss zu einem Endfuß durch alle in Reihe angeordneten Zwischenfüße. Die in Reihe angeordneten Zwischenfüße können mehrere Kontaktbereiche auf mindestens einem von verschiedenen Substraten oder demselben Substrat kontaktieren. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement in Reihe angeordnete Zwischenfüße und parallel angeordnete Zwischenfüße aufweist. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement zwei oder mehr parallele Teile aufweist, wobei einer oder mehrere der Teile nur Endfüße, aber keine Zwischenfüße umfasst und einer oder mehrere der Teile Endfüße und Zwischenfüße aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mehrere Substrate, die mindestens einige der Kontaktbereiche aufweisen. Die Substrate können auf einer Basisplatte angeordnet sein. Das Anschlusselement kann mindestens zwei Kontaktbereiche verschiedener Substrate kontaktieren. Dementsprechend stellt der Maschenanschluss nicht nur eine Verbindung nach außen, sondern auch eine integrierte Substrat-zu-Substrat-Verbindung bereit.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Anschlusselement Kontaktbereiche eines einzigen Substrats miteinander verbinden. Das einzige Substrat kann sich auf einer Basisplatte befinden. Das Leistungsmodul kann auch das Design eines isolierten Metallsubstrats haben. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement sowohl mehrere Kontaktbereiche auf einem Substrat als auch einen oder mehrere Kontaktbereiche auf einem weiteren Substrat verbindet. Es ist auch möglich, dass mindestens einige der Kontaktbereiche leitende Bereiche auf Oberflächen von elektrischen Komponenten sind. Die elektrischen Komponenten können an Metallisierungen auf einem Substrat aufgebracht sein.
  • Das Anschlusselement kann eine Brücke umfassen, die sich zwischen einem Zwischenfuß und einem Endfuß oder zwischen zwei Zwischenfüßen befindet. Die Brücke erhebt sich von den Kontaktbereichen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Brücke z. B. einen Spalt zwischen verschiedenen Substraten überbrücken.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul elektrische Komponenten in Form eines ersten Schaltelements und eines zweiten Schaltelements, die elektrisch zur Bildung einer Halbbrücke verbunden sind. Das Anschlusselement kann die Schaltelemente elektrisch verbinden. Die Schaltelemente können sich auf demselben Substrat oder auf verschiedenen Substraten befinden. Das Leistungsmodul kann mehrere weitere Schaltelemente aufweisen, die ebenfalls durch das Anschlusselement verbunden sein können. Das Leistungsmodul kann auch andere passive oder diskrete Komponenten aufweisen, die durch das Anschlusselement verbunden sein können.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Anschlusselement eine Schiene, die mehrere Füße parallel verbindet. Die Schiene kann z. B. parallel zu einer Seitenfläche ausgerichtet sein, an der sich der Anschluss befindet. Die Schiene kann mehrere parallel angeordnete Anschlussbereiche, wie z. B. Zwischenfüße und/oder Endfüße, verbinden. Beispielsweise kann die Schiene zwischen mehreren Endfüßen und mehreren Zwischenfüßen angeordnet sein. Die Endfüße können aber auch nicht explizit parallel, sondern in einem beliebigen Winkel zur allgemeinen Richtung des Anschlusses von der Schiene abzweigen.
  • Das Leistungsmodul kann weitere Anschlusselemente aufweisen. Beispielsweise kann das vorhergehend beschriebene Anschlusselement einen AC Anschluss bereitstellen und die weiteren Anschlüsse DC+ und DC- Anschlüsse bereitstellen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement einen Hilfsanschluss bereitstellt. Die weiteren Anschlusselemente können Endfüße aufweisen, aber z. B. frei von Zwischenfüßen sein. Es ist auch möglich, dass mindestens eines der weiteren Anschlusselemente Zwischenfüße oder sowohl Zwischenfüße als auch Endfüße aufweist. Eines oder mehrere der weiteren Anschlusselemente können teilweise mit dem Anschlusselement in einer Höhenrichtung überlappen. Beispielsweise kann das weitere Anschlusselement eine Schiene aufweisen, die mit der Schiene des Anschlusselements überlappt.
  • Die Offenbarung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls den Schritt des Bereitstellens eines oder mehrerer Substrate, die einen oder mehrere Kontaktbereiche umfassen, und des Bereitstellens eines Anschlusselements, das einen Anschluss umfasst, um die Kontaktbereiche elektrisch nach außen zu verbinden. Das eine oder die mehreren Substrate können Leistungshalbleitervorrichtungen aufweisen, die zum Beispiel in Form von Chips vorliegen können. Die Substrate können auf einer Basisplatte aufgebracht sein. Das Leistungsmodul und Anschlusselement kann alle strukturellen und funktionellen Merkmale des vorhergehend beschriebenen Anschlusselements umfassen. Das Verfahren umfasst den weiteren Schritt der Befestigung und damit der elektrischen Verbindung des mindestens einen Zwischenfußes mit einem der Kontaktbereiche. Beispielsweise kann das Anschlusselement mindestens einen Zwischenfuß und mindestens einen Endfuß aufweisen, wobei der Zwischenfuß und der Endfuß mit unterschiedlichen der Kontaktbereiche verbunden sind.
  • Durch dieses Verfahren kann eine Verbindung der Kontaktbereiche untereinander und nach außen in einem einzigen Prozess hergestellt werden. Die Kontaktbereiche können sich auf verschiedenen Substraten befinden, so dass eine integrierte Substrat-zu-Substrat-Verbindung bereitgestellt wird. Die Substrate können frei von einer elektrischen Verbindung miteinander sein, bevor das Anschlusselement mit den Substraten verbunden wird. Dementsprechend sind keine separaten Elemente wie Drahtbondverbindungen oder Klammern erforderlich, um die Substrate miteinander zu verbinden. Es ist auch möglich, dass sich die Kontaktbereiche auf demselben Substrat befinden und dass das Anschlusselement die Kontaktbereiche innerhalb desselben Substrats miteinander verbindet. Die Kontaktbereiche können frei von einer elektrischen Verbindung miteinander sein, bevor das Anschlusselement verbunden wird. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement sowohl Kontaktbereiche innerhalb eines Substrats als auch Kontaktbereiche verschiedener Substrate verbindet.
  • Beispielsweise werden die Füße durch Schweißen mit den Kontaktbereichen verbunden. Als Beispiele können Ultraschallschweiß-, Laserschweiß- oder Widerstandsschweißtechniken verwendet werden.
  • Alternativ werden die Füße beispielsweise durch Kleben, Löten oder Sintern mit den Kontaktbereichen verbunden.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Ausführungsformen. Jedes Merkmal, das in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben ist, ist hier auch in Bezug auf die anderen Ausführungsformen offenbart, auch wenn das jeweilige Merkmal in diesem Zusammenhang nicht ausdrücklich erwähnt wird.
  • Weitere Merkmale, Verfeinerungen und Zwecke ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren. In den Figuren können Elemente mit gleicher Struktur und/oder Funktionalität durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sein. Es versteht sich, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen veranschaulichende Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
    • 1 ist eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform,
    • 2 ist eine Seitenansicht des Leistungsmoduls aus 1,
    • 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Anschlusselements für ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform,
    • 4 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform,
    • 5 ist eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform,
    • 6 ist eine Seitenansicht des Leistungsmoduls aus 5,
    • 7A und 7B zeigen schematisch Schritte in einem Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Leistungsmoduls 1 mit einem Anschlusselement 2 zur elektrischen Verbindung des Leistungsmoduls 1 nach außen. 2 zeigt eine Seitenansicht des Leistungsmoduls 1.
  • Das Anschlusselement 2 hat einen oder mehrere Anschlüsse 3, 3' zur Verbindung mit externen Kontakten. Jeder der Anschlüsse 3, 3' umfasst ein Loch 30 zur Befestigung eines externen Kontakts, z. B. durch eine Schraub- und Bolzenverbindung. Je nach Auslegung kann das Loch 30 auch nicht vorhanden sein und kann ein anderes Verbindungsverfahren wie Schweißen, Löten, Kleben oder Presspassung verwendet werden. Das Anschlusselement 2 ist aus einer Metallplatte gebildet und kann aus einem einzigen Stück bestehen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement 2 aus mehreren miteinander verbundenen Teilen gebildet ist.
  • Das Anschlusselement 2 kann ein stromleitendes Anschlusselement sein. Das Anschlusselement 2 kann z. B. einen AC-Anschluss bereitstellen. Je nach Auslegung des Moduls 1 kann das Anschlusselement 2 alternativ auch einen DC+- oder DC--Anschluss darstellen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement 2 einen Hilfsanschluss z. B. für Steuer- oder Überwachungszwecke bereitstellt. Die Hilfsanschlüsse können zum Beispiel Signalanschlüsse zur Steuerung von Schaltvorrichtungen umfassen.
  • Das Anschlusselement 2 umfasst mehrere Füße in Form von Zwischenfüßen 4, 4' und Endfüßen 5, 5', die Kontaktbereiche 6, 6', 7, 7' elektrisch und mechanisch in Kontakt bringen. Die Füße 4, 4', 5, 5' können mit den Kontaktbereichen 6, 6', 7, 7' z. B. durch Schweißen, Sintern, Löten oder Kleben verbunden sein. Das Anschlusselement 2 umfasst zwei parallele Zwischenfüße 4, 4', die in Strompfaden 13, 13' liegen, die zu den Endfüßen 5, 5' führen. Die Kontaktbereiche 6, 6', 7, 7' können eine Metallisierung auf einem oder mehreren Substraten 11, 11', 12, 12' sein. Es ist auch möglich, dass die Kontaktbereiche elektrische Kontakte auf Oberflächen von elektrischen Komponenten, wie z. B. Chips, sind.
  • Jeder der Zwischenfüße 4, 4' geht in eine Brücke 8, 8' über, die sich von den Kontaktbereichen 6, 6' erhebt. Die Brücken 8, 8' führen zu vier parallelen Endfüßen 5, 5', die mit weiteren Kontaktbereichen 7, 7' in Kontakt sind.
  • Während die Endfüße 5, 5' freistehend sind, d. h. nur an einem Ende mit einem Abschnitt 19 des Anschlussbereichs 2 verbunden sind, befinden sich die Zwischenfüße 4, 4' zwischen zwei Abschnitten 17, 18 des Anschlussbereichs 2, so dass beide Enden mit den Abschnitten 17, 18 verbunden sind, also nicht freistehend sind. Ein Strompfad zu einem anderen Endfuß führt nicht durch einen Endfuß.
  • Das gezeigte Anschlusselement 2 mit mindestens einem Zwischenfuß 4, 4' wird nachstehend auch als „Maschenanschluss“ bezeichnet. Der Zwischenfuß 4, 4' wird nachstehend auch als „Masche“ bezeichnet. Das Maschenanschlusselement 2 stellt nicht nur eine Verbindung zu einem Anschluss 3 für eine Verbindung des Leistungsmoduls 1 nach außen her, sondern auch eine integrierte Verbindung zwischen verschiedenen Kontaktbereichen 6, 6', 7, 7' aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Füße, wie z. B. Zwischenfüße 4, 4' und Endfüße 5, 5' .
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul 1 eine Basisplatte 10, auf der sich mehrere Substrate 11, 11', 12, 12' befinden. Die Substrate 11, 11', 12, 12' können beispielsweise auf der Basisplatte 10 durch Löten befestigt sein oder auch integrale Bestandteile einer hybriden Basisplattenanordnung sein. Als Beispiel kann stattdessen ein isolierter Metallsubstrat(IMS)-Aufbau bereitgestellt werden. In einem solchen Aufbau kann eine Metallbasis mit einer isolierenden Harzschicht und Schaltungsmetallisierungen bereitgestellt sein.
  • Das Anschlusselement 2 stellt einen integrierten elektrischen Pfad zu den verschiedenen Substraten 11, 11', 12, 12' bereit. Das Anschlusselement 2 stellt nicht nur eine Verbindung nach außen bereit, sondern verbindet auch die verschiedenen Substrate 11, 11', 12, 12'. In diesem Fall können Drahtbondverbindungen zur Verbindung von Kontaktbereichen 6, 6', 7, 7' verschiedener Substrate 11, 11', 12, 12' oder zur Verbindung von Kontaktbereichen eines einzigen Substrats nicht mehr erforderlich sein. Dadurch können die Außenabmessungen des Moduls 1 reduziert und die Herstellung vereinfacht werden.
  • Auf jedem der Substrate 11, 11', 12, 12' befinden sich eine oder mehrere elektrische Komponenten 15, 15', 16, 16'. Die elektrischen Komponenten 15, 15', 16, 16' können beispielsweise in Form von Schaltelementen wie z. B. IGBTs (Insulated Gate Bridge Transistors) oder MOSFETs ausgeführt sein. Für jedes Schaltelement kann eine zugeordnete Diode auf demselben Substrat 11, 11', 12, 12' angeordnet sein. Bei Ausführungsformen, z. B. bei Siliziumkarbid-Leistungs-MOSFETs , sind Dioden möglicherweise nicht erforderlich. Die Dioden können z. B. FWDs (Freilaufdioden) sein und parallel zu dem zugeordneten Schaltelement geschaltet sein. Die elektrischen Komponenten 15, 15', 16, 16' können mit den Kontaktbereichen 6, 6', 7, 7' z. B. durch Drahtbondverbindungen verbunden sein.
  • Die Schaltelemente können in Form einer Halbbrücke elektrisch verbunden sein. Eine Halbbrücke ist eine elektrische Schaltung mit zwei Schaltern, die zwischen einem DC+ und einem DC- Anschluss in Reihe geschaltet sind, wobei ein AC Anschluss, der ein Ausgangsanschluss ist, zwischen die Schalter geschaltet ist. Jeder der Schalter kann mehrere parallel geschaltete Schaltelemente umfassen.
  • Die Schaltelemente auf der rechten Seite können z. B. mit einem DC+ Anschluss (High Side) und die Schaltelemente auf der linken Seite mit einem DC- Anschluss (Low Side) verbunden sein. Das Anschlusselement 2 kann als AC Anschluss verwendet werden, der die Substrate 11, 11', 12, 12' verschiedener Seiten verbindet. Insbesondere ist jeder der Zwischenfüße 4, 4' in Kontakt mit einem Kontaktbereich 6, 6' auf der High Side und ist der Endfuß 8 in Kontakt mit einem Kontaktbereich 7, 7' auf der Low Side. Insbesondere können die Endfüße 5, 5' elektrisch mit den Kollektoren oder Drains der Schalter 16, 16' der Low Side und die Zwischenfüße 4, 4' elektrisch mit den Emittern oder Sources der Schalter der High Side verbunden sein. Die High-Side-Schaltelemente sind parallel zueinander geschaltet. Ebenso sind die Low-Side-Schaltelemente parallel zueinander geschaltet.
  • Das Anschlusselement 2 stellt eine Verbindung verschiedener Kontaktbereiche 6, 6', 7, 7' und verschiedener Substrate 11, 11', 12, 12' entlang einer Längenrichtung L bereit, d. h. einer Richtung von einer Seite des Leistungsmoduls 1, auf der sich die Anschlüsse 3, 3' befinden, zu einer gegenüberliegenden Seite des Leistungsmoduls 1. Die Kontaktbereiche 6, 6' sind elektrisch mit den Kontaktbereichen 7, 7' in Reihe geschaltet.
  • Außerdem stellt das Anschlusselement 2 eine Verbindung verschiedener Kontaktbereiche 6, 6', 7, 7' und verschiedener Substrate 11, 11', 12, 12' entlang einer Breitenrichtung W bereit, die rechtwinklig zu einer Längenrichtung L ist. Dies wird durch mehrere parallele Zwischenfüße 4, 4' und parallele Endfüße 5, 5' erreicht. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement seine Richtung ändert, z. B. eine Kurve von 90° macht. Dies kann der Fall sein, wenn die Kontaktbereiche nicht entlang einer geraden Linie angeordnet sind oder wenn der Anschluss 3 an einer anderen Seite angebracht werden soll. Zu diesem Zweck umfasst das Anschlusselement 2 eine Schiene 20, von der sich in der einen Richtung mehrere Endfüße 5, 5' erstrecken und in der anderen Richtung mehrere Zwischenfüße 4, 4' erstrecken. Es ist auch möglich, dass sich einer oder mehrere Endfüße in der gleichen Richtung wie einer oder mehrere Zwischenfüße erstrecken. Im Allgemeinen sind parallele Zwischenfüße 4, 4' und parallele Endfüße 5, 5' elektrisch parallel geschaltet und können auch geometrisch parallel angeordnet sein. Die Füße 4, 4', 5, 5' können jedoch in jeder beliebigen Richtung von der Schiene 20 abzweigen und müssen nicht geometrisch parallel angeordnet sein.
  • Die Schiene 20 dient zur Stromverteilung und zur Stromhomogenisierung. Beispielsweise sind die Kontaktbereiche 6', 7' elektrisch parallel zu den Kontaktbereichen 6, 7 geschaltet. Außerdem kann die Schiene 20 zur mechanischen Stabilisierung dienen. Auch eine thermische Stressverminderung kann durch die Schiene 20 bereitgestellt werden. Die Schiene 20, die mehrere Zwischenfüße 4, 4' und Endfüße 5, 5' verbindet, hilft bei der Kontrolle der Toleranzen der verschiedenen Positionen der Füße 4, 4', 5, 5' und stabilisiert die Füße während des Verbindungsprozesses wie etwa beispielsweise Schweißen und Löten.
  • Das Anschlusselement 2 umfasst eine Aussparung 14, die von den Zwischenfüßen 4, 4' an gegenüberliegenden Seiten begrenzt ist. Des Weiteren umfasst das Anschlusselement 2 einen Verbindungsbereich 26, der die Füße 4, 4', 5, 5' mit den Anschlüssen 3, 3' verbindet. Der Verbindungsbereich 26 kann in der Breitenrichtung eine größere Breite haben als jeder der Füße 4, 4', 5, 5'. Das Anschlusselement 2 kann durch ein Spritzgussverfahren mindestens teilweise in ein Kunststoffgehäuse eingebettet sein.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Anschlusselements 2. Die Geometrie der Endfüße 5, 5' und der überbrückenden Schiene 20 entspricht der Geometrie der Ausführungsformen der 1 und 2.
  • Auch die Geometrie der Zwischenfüße 4, 4' entspricht der Geometrie der Ausführungsform der 1 und 2 mit einer vertauschten Position der Füße 4, 4' in der Breitenrichtung W. Im Unterschied zu 1 und 2 hat ein plattenförmiger Verbindungsbereich 26 zwischen den Zwischenfüßen 4, 4' und dem Anschlusselement 3 eine geringere Breite als die Schiene 20. Insbesondere erstreckt sich der Verbindungsbereich 26 nicht in einer Breitenrichtung über die Füße 4, 4' hinaus. Dadurch ist Platz für weitere Elemente vorhanden.
  • Die Schiene 20 kann zusätzliche Spannungsentlastungsmerkmale umfassen, wie z. B. eine lokale Reduzierung ihres Querschnitts. Beispielsweise können auch die an die Füße 5' angrenzenden Abschnitte 17, 18, 19 derartige Spannungsentlastungsmerkmale 9 umfassen.
  • 4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Leistungsmoduls 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Bei dieser Ausführungsform umfasst das Anschlusselement 2 mehrere in Reihe geschaltete Zwischenfüße 4, 28. Dementsprechend befinden sich die Zwischenfüße 4, 28 an unterschiedlichen Positionen entlang der Längenrichtung L. Ein Strompfad von dem Anschlusselement 3 zu einem Endfuß 5 führt durch beide Zwischenfüße 4, 28. Das Leistungsmodul 1 umfasst drei Substrate 11, 12, 39 in einer Reihe entlang der Längenrichtung L. Die Füße 4, 28, 5 verbinden Kontaktbereiche 6, 7, 37 auf den Substraten 11, 12, 39. Das Anschlusselement 2 umfasst Brücken 8, 38 zur Überbrückung von Teilen der Substrate 11, 12, 39, die elektrische Komponenten 15, 16, 29 und Spalte 40 zwischen den Substraten 11, 12, 39 umfassen.
  • Die Füße 4, 28, 5 können z. B. mehrere Schaltelemente einer Seite verbinden. Es ist auch möglich, dass die Schaltelemente zu verschiedenen Seiten gehören.
  • Je nach Layout können die Füße 4, 28, 5 an der gleichen Position entlang der Breitenrichtung W oder an unterschiedlichen Positionen entlang der Breitenrichtung W angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass das Leistungsmodul 1 zusätzlich weitere Reihen von Substraten entlang einer Breitenrichtung umfasst, die durch weitere zu den Füßen 4, 28, 5 parallel angeordnete Zwischen- und Endfüße verbunden sind. Es ist auch möglich, dass die Füße zwar elektrisch parallel geschaltet, aber geometrisch nicht parallel angeordnet, sondern in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind. Die Brücken 8, 38 können, wie in 3 gezeigt, als Schiene 20 ausgebildet sein.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Zwischenfüße 4, 28 in Reihe geschaltet. Es ist auch möglich, dass mehr als zwei Zwischenfüße 4, 28 in Reihe geschaltet sind. Außerdem weist das Leistungsmodul 1 in der gezeigten Ausführungsform drei Substrate 11, 12, 39 in einer Reihe entlang der Längenrichtung L auf. Es ist auch möglich, dass das Leistungsmodul 1 nur ein einziges Substrat aufweist. Die Zwischenfüße 4, 28 und der Endfuß 5 können z. B. Kontaktbereiche verbinden, die sich auf demselben Substrat befinden. Zu diesem Zweck können die Füße 4, 5, 28 in geeigneten Winkeln von dem Anschlusselement 2 abzweigen und müssen nicht geometrisch parallel zueinander angeordnet sein.
  • 5 und 6 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Leistungsmoduls 1 entsprechend dem Leistungsmodul 1 der 1 und 2 mit zusätzlichen weiteren Anschlusselementen 21, 22. Die weiteren Anschlusselemente 21, 22 weisen weitere Anschlüsse 31, 32 zur Verbindung nach außen auf. Die weiteren Anschlüsse 31, 32 können an einer den Anschlüssen 3, 3' gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Die weiteren Anschlusselemente 21, 22 können für DC- bzw. DC+Verbindungen ausgelegt sein. Eines der weiteren Anschlusselemente 22 weist auch eine weitere Schiene 25 auf, von der aus sich weitere Endfüße 24 erstrecken. Die weitere Schiene 25 überlappt mit der Schiene 20 des Anschlusselements 2. Die weitere Schiene 25 befindet sich über dem Spalt 40 zwischen den Substraten 12, 12' und den Substraten 11, 11'. Die weitere Schiene 25 ist über Verbindungsstege 33 mit einem weiteren Verbindungsbereich 34 verbunden. Das andere der weiteren Anschlusselemente 21 weist weitere Endfüße 23 auf, die mit einem weiteren Verbindungsbereich 35 verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die weiteren Anschlusselemente 21, 22 keine Zwischenfüße auf. Bei alternativen Ausführungsformen können je nach Layout des Leistungsmoduls auch weitere Anschlusselemente Zwischenfüße umfassen.
  • Die 7A und 7B zeigen schematisch Verfahrensschritte zur Herstellung eines Leistungsmoduls 1.
  • Gemäß einem ersten Verfahrensschritt, der in 7A dargestellt ist, wird eine Anordnung 36 bereitgestellt, die eine Basisplatte 10 und mehrere Substrate 11, 12 auf der Basisplatte 10 aufweist. Die Substrate 11, 12 sind beispielsweise durch eine Lötverbindung an der Basisplatte 10 befestigt. Auf den Substraten 11, 12 können elektrische Komponenten (nicht abgebildet) wie z.B. Schalter und Dioden angeordnet sein. Ferner sind auf den Substraten 6, 7 Kontaktbereiche 6, 7 bereitgestellt.
  • In diesem Schritt können die Substrate 11, 12 auch nicht elektrisch miteinander verbunden sein. Es ist auch möglich, dass nur einige der Substrate in diesem Schritt elektrisch miteinander verbunden sind. Wenn beispielsweise mehrere Substrate parallel und in Reihe angeordnet sind, können die parallel angeordneten Substrate elektrisch miteinander verbunden sein und können die in Reihe angeordneten Substrate in diesem Schritt auch nicht elektrisch verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die Kontaktbereiche 6, 7 auf einem einzigen auf einer Basisplatte montierten Substrat bereitgestellt sind oder dass ein integrierter isolierter Metallsubstrataufbau bereitgestellt wird.
  • In einem zweiten Schritt, der in 7B dargestellt ist, wird ein Anschlusselement 2 in Form einer Metallplatte mit den Kontaktbereichen 6, 7 auf den Substraten 11, 12 verbunden. Die Verbindung erfolgt durch einen Schweißprozess, wie z. B. Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder Widerstandsschweißen. Es ist auch möglich, das Anschlusselement 2 durch andere Verfahren zu befestigen, z. B. durch Löten, Sintern oder Kleben. Das in 7B dargestellte Leistungsmodul 1 stellt eine weitere Ausführungsform dar.
  • Das Anschlusselement 2 kann einen Anschluss 3 in Form eines stromleitenden Hauptanschlusses bereitstellen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement 2 einen Anschluss 3 in Form eines Hilfsanschlusses bereitstellt. Es ist auch möglich, dass Hilfsanschlüsse mit dem Anschlusselement 2 verbunden sind. Nach dem Verbinden des Anschlusselements 2 mit den Substraten 11, 12 kann das Anschlusselement 2 mindestens teilweise in ein Kunststoffgehäuse eingebettet werden, z. B. durch einen Spritzguss- oder Transferpressprozess. Das Anschlusselement 2 kann vor oder nach der Verbindung des Anschlusselements 2 mit den Kontaktbereichen 6, 7 teilweise eingebettet werden. Im ersten Fall kann das Anschlusselement 2 als eine Art Anschlussblock bereitgestellt sein.
  • Bei allen Ausführungsformen kann das Anschlusselement nicht nur die Verbindung nach außen herstellen, sondern auch eine integrierte Verbindung zwischen den Kontaktbereichen herstellen, so dass keine zusätzlichen elektrischen Verbindungen wie Drahtbondverbindungen oder Klammern erforderlich sind. Beispielsweise kann das Anschlusselement eine Verbindung von Kontaktbereichen verschiedener Substrate und/oder eine Verbindung von Kontaktbereichen eines Substrats bereitstellen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement mindestens eine Verbindung von Kontaktbereichen verschiedener Substrate und mindestens eine Verbindung von Kontaktbereichen desselben Substrats bereitstellt. Bei den Kontaktbereichen kann es sich um Kontaktbereiche auf Substraten und/oder Kontaktbereiche auf Oberflächen von elektrischen Komponenten wie Chips handeln. Die elektrischen Komponenten können sich auf Metallisierungen auf einem Substrat befinden.
  • Die integrierte Verbindung durch das Anschlusselement senkt die Kosten und verkürzt die Produktionszeit des Leistungsmoduls. Außerdem wird kein zusätzlicher Platz für eine zusätzliche Substrat-zu-Substrat-Verbindung mehr benötigt, so dass die Gesamtfläche auf den Substraten, die für Leistungshalbleiterchips genutzt werden kann, vergrößert wird. Dementsprechend kann im Vergleich zu separaten Substrat-zu-Substrat-Verbindungen zusätzlich zu den Anschlusselementen der Nennstrom des Leistungsmoduls erhöht werden. Außerdem ist mindestens bei einigen Ausführungsformen kein zusätzlicher Drahtbondrozess nach der Montage der Substrate auf einer Basisplatte erforderlich, während nur eine geringe Anzahl zusätzlicher Verbindungen, wie z. B. Schweißverbindungen, bereitgestellt werden müssen.
  • Es versteht sich, dass die Offenbarung nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Wie in 7B gezeigt, können zum Beispiel statt vier Substraten auch nur zwei Substrate vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement eine Verbindung von Kontaktbereichen auf einem einzigen Substrat bereitstellt.
  • Die Substrate können z. B. in Reihen und Spalten oder nur in einer einzigen Reihe angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die Substrate in einer anderen Form als in Reihen und/oder Spalten angeordnet sind. Außerdem ist es möglich, dass das Anschlusselement nur einige der Substrate, aber nicht alle Substrate auf der Basisplatte verbindet.
  • Außerdem kann das Anschlusselement eine beliebige Anzahl von Zwischenfüßen aufweisen. Die Zwischenfüße können z. B. parallel oder in Reihe angeordnet sein. So kann das Anschlusselement beispielsweise auch nur einen einzigen Zwischenfuß und einen einzigen Endfuß aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Anschlusselement mehr Zwischenfüße als Endfüße aufweist oder umgekehrt.
  • Die Anordnung der Anschlüsse kann z. B. auch um 90° gedreht sein. Es ist auch möglich, dass sich die Anschlüsse auf allen Seiten des Moduls befinden. Die Anschlüsse können beispielsweise als Haupt- und/oder Hilfsanschlüsse ausgelegt sein.
  • Im Allgemeinen können mindestens einige der Kontaktbereiche in Form von Metallisierungen auf einem oder mehreren Substraten vorhanden sein. Mindestens einige der Kontaktbereiche können Kontaktbereiche auf Oberflächen von elektrischen Komponenten wie z.B. Chips sein.
  • Außerdem ist es auch möglich, dass nur ein Substrat vorhanden ist. In diesem Fall kann das Anschlusselement Kontaktbereiche auf dem einzigen Substrat miteinander verbinden. Es ist auch möglich, dass mehrere Substrate vorhanden sind, ohne dass eine Basisplatte bereitgestellt ist. Es ist auch möglich, dass mindestens einige der Kontaktbereiche auf einer Basisplatte bereitgestellt ist, z. B. in einem isolierten Metallsubstrataufbau.
  • Bezugszeichen
    • 1
    Leistungsmodul
    2
    Anschlusselement
    3, 3'
    Anschluss
    4, 4'
    Zwischenfuß
    5, 5'
    Endfuß
    6, 6'
    Kontaktbereich
    7, 7'
    Kontaktbereich
    8, 8'
    Brücke
    9
    Spannungsentlastungsmerkmal
    10
    Basisplatte
    11, 11'
    Substrat
    12, 12'
    Substrat
    13, 13'
    Strompfad
    14
    Aussparung
    15, 15'
    elektrische Komponente
    16, 16'
    elektrische Komponente
    17
    Abschnitt
    18
    Abschnitt
    19
    Abschnitt
    20
    Schiene
    21, 22
    weiteres Anschlusselement
    23
    weiterer Endfuß
    24
    weiterer Endfuß
    25
    weitere Schiene
    26
    Verbindungsbereich
    28
    Zwischenfuß
    29
    elektrische Komponente
    30
    Loch
    31
    weiterer Anschluss
    32
    weiterer Anschluss
    33
    Verbindungssteg
    34
    weiterer Verbindungsbereich
    35
    weiterer Verbindungsbereich
    36
    Anordnung
    37
    Kontaktbereich
    38
    Brücke
    39
    Substrat
    40
    Spalt
    L
    Längenrichtung
    W
    Breitenrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • CN 105655306 A [0002]
    • CN 110060971 [0002]
    • EP 3065164 A1 [0002]

Claims (13)

  1. Leistungsmodul (1), aufweisend mehrere Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) und ein Anschlusselement (2) mit einem Anschluss (3, 3') zur elektrischen Verbindung eines oder mehrerer der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) nach außen, wobei das Anschlusselement (2) mehrere Abschnitte (17, 18, 19) und mindestens einen Zwischenfuß (4, 4', 28) aufweist, der mit einem der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) in Kontakt ist, wobei sich der Zwischenfuß (4, 4', 28) zwischen zwei der Abschnitte (17, 18, 19) befindet, wobei das Anschlusselement (2) mindestens zwei elektrisch parallel oder in Reihe geschaltete Zwischenfüße (4, 4', 28) umfasst, wobei jeder der Zwischenfüße (4, 4', 28) zwei Enden umfasst, wobei jedes der Enden mit einem der Abschnitte (17, 18, 19) verbunden ist.
  2. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1, aufweisend mindestens ein weiteres Anschlusselement (21, 22), das in einer Höhenrichtung mindestens teilweise mit dem Anschlusselement (2) überlappt.
  3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (2) mindestens einen Endfuß (5, 5') aufweist, der nur mit einem der Abschnitte (17, 18, 19) des Anschlusselements (2) verbunden ist.
  4. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) Metallisierungen auf einem oder mehreren Substraten (6, 6', 7, 7', 37) und/oder Kontaktbereiche auf Oberflächen von elektrischen Komponenten (15, 15', 16, 16') aufweisen.
  5. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eines oder mehrere Substrate (11, 11', 12, 12', 39) aufweist, wobei sich mindestens zwei der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) auf demselben der Substrate (11, 11', 12, 12', 39) befinden, wobei das Anschlusselement (2) mit mindestens den zwei der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) in Kontakt ist.
  6. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehrere Substrate (11, 11', 12, 12', 39) aufweist, wobei sich mindestens zwei der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) auf verschiedenen der Substrate (11, 11', 12, 12', 39) befinden, wobei das Anschlusselement (2) mindestens mit den zwei der Kontaktbereiche (6, 6', 7, 7', 37) in Kontakt ist.
  7. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine erste elektrische Komponente (15, 15') in Form eines ersten Schaltelements und eine zweite elektrische Komponente (16, 16') in Form eines zweiten Schaltelements aufweist, wobei das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement elektrisch zur Bildung einer Halbbrücke verbunden sind, wobei das Anschlusselement (2) das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement elektrisch verbindet.
  8. Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Anschlusselement (2) mindestens einen Endfuß (5, 5', 28) umfasst, der mit Kontaktbereichen (6, 6', 7, 7', 37) verbunden ist, die an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf eine Längenrichtung (L) des Leistungsmoduls (1) angeordnet sind, wobei die Längenrichtung (L) rechtwinklig zu einer Seitenfläche des Leistungsmoduls (1) verläuft, an der sich der Anschluss (3, 3') befindet.
  9. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (2) eine einteilige Metallplatte ist.
  10. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (2) mindestens zwei elektrisch in Reihe geschaltete Zwischenfüße (4, 4', 28) aufweist.
  11. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (2) mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Zwischenfüße (4, 4', 28) aufweist.
  12. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (2) eine Schiene (20) aufweist und mindestens zwei Füße in Form von mindestens einem von Zwischenfüßen (4, 4'), die sich zwischen zwei der Abschnitte (17, 18, 19) befinden, und Endfüßen (5, 5'), die mit nur einem der Abschnitte (17, 18, 19) verbunden sind, aufweist, wobei die Schiene (20) die mindestens zwei Füße parallel verbindet.
  13. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschluss (3, 3') ein DC+, DC-, AC Anschluss und/oder ein Hilfsanschluss für Steuer- und/oder Überwachungszwecke ist.
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