DE29622729U1 - Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen - Google Patents

Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen

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Description

ABB Daimler-Benz Transportation
(Deutschland) GmbH
Am Rathenaupark
D-16761 Hennigsdorf
B 96/1
Ham-zg
Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für die Stromzu- und -ableitung sowie Stromverteilung bei mehreren räumlich getrennt angeordneten Leistungselektronik-Bauelementen, wie z.B. Schalter, insbesondere Thyristoren und allgemein deren elektrische Beschaltungen mit ohm'sehen Widerständen, Drosseln und Kondensatoren sowie Meßwandler , ist es üblich, elektrisch leitende Drähte bzw. Kabel zu verwenden.
Statt der Drahtverbindung ist auch die Verbindung über laminierte, gegeneinander isolierte, über die jeweiligen Anschlußstellen der Leistungselektronik-Bauelemente geführte Flachschienen (siehe z.B. Prospekt "Stromversorgung" der Firma Rogers-Mektron N.V. Gent, Belgien (4358 Claerhout N.V.-09/2221587)) oder plattenförmige Leiter
(DE 41 10 339 C2) bekannt, um insbesondere die Induktivität der Verbindung niedrig zu halten und eine definierte Kapazität zwischen den Leitern zu haben.
Der Anschluß der Leistungselektronik-Bauelemente an die Flachschienen bzw. plattenförmigen Leiter wie auch an die zuvor erwähnten Drähte und Kabel erfolgt dabei bisher durch Schrauben oder (seltener) durch Klemmverbindungen in Handmontage.
Insgesamt erfolgt die technologische Realisierung von leistungselektronischen Schaltungen und Komponenten in traditioneller Technologie, d.h. Einzelbauelemente, Leistungsmodule (Powerblöcke), Einzelleitungen und Schienenanordnungen werden generell von Hand montiert. Automatische bzw. teilautomatische Bestückungen sind bisher nicht üblich.
Diese traditionelle Handbestückung und Montage ist arbeitsintensiv, zeitaufwendig, unrationell (z.B. wegen der Lohnkosten, der Schichtauslastung, des Materialaufwands und der Materialverteilung, der Dokumentationsverteiiung und des Prüfauf wands) und mit hohen Fehlerquoten behaftet. Die Reproduzierbarkeit der Arbeitsgänge und Produkte ist zu hohen Schwankungen unterworfen. Eine wünschenswerte drastische Senkung des Fertigungsaufwandes von Produkten um Größenordnungen (betreffs Vorbereitung, Durchführung und rationelles Prüfen in der Fertigung) ist so nicht möglich.
Eine automatische Bestückung von Leiterplatten oder Mehrlagen-Leiterplatten (Multi-Layer) ist nur für die leistungsarme Steuerungselektronik bekannt (siehe auch Prospekt der Firma Rogers-Mektron N.V., a.a.O.). Dabei sind die Verbindungsleitungen zur Verbindung der einzelnen Steuerungs- und Regelelemente durch auf isolierendes Material nach einem Routerprogramm aufgedampfte oder teilweise eingelassene Leiterbahnen gebildet. Die Anschlüsse zwischen einzelnen Leiterbahnen einer einzelnen oder einer Multi-Layer-Piatte erfolgen durch Durchkontaktierung durch das Isoliermaterial.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine automatisierte Montage der Leistungselektronik-Bauelemente gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafterweise ergibt sich durch die elektrische Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen bzw. aus diesen Bauelementen zusammengesetzten Modulen (sowie deren Steuerungsplatinen) mittels der
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Schichtenanordnung nach der Erfindung eine Vereinheitlichung und Herabsetzung der Zahl der Montageebenen (Schichten bzw. Verbindungsschichten). Daraus folgt dann auch eine automatengerechte Verbindung zwischen Modulen bzw. einzelnen Leistungselektronik-Bauelementen und Schichten in aufeinander folgenden Montageebenen.
Durch eine montagegerechte Bauform der Leistungselektronik-Bauelemente (Magazinierung, Anschlußdefinition, Abmessung) läßt sich der Grad der Automatisierung der Montage noch steigern.
Die automatische Montage unter Verwendung der Anordnung nach der Erfindung bietet folgende Rationalisierungseffekte:
- Arbeitszeitverkürzung (höhere Stückzahlen in gleichen Zeiträumen) bei der Montage.
- Lohnkostensenkung bezogen auf das Material, da die Zahl der Arbeitskräfte sinkt.
- Hoher Auslastungsgrad der Fertigungseinrichtungen.
- Vereinfachte Materialhaltung und -bereitstellung (Magazinierung).
- Geringerer Platzbedarf (Fertigungsfläche) bei der Montage.
- Eine flexiblere Fertigung auch von kleineren Stückzahlen (Programmänderung und Materialbereitstellung).
- Der Montageaufwand sinkt erheblich durch Wegfall von Verkabelungsarbeiten, Verschraubungen, Quetschungen, Lötungen usw. Viele Handhabungen und manuelle Arbeiten entfallen.
- Der Materialaufwand sinkt drastisch, da z.B. der Anteil von mechanisch gefertigten Teilen sinkt (z.B. Bauelementeaufnahmen, Winkel, Kabelschuhe, ösen, Steckverbinder).
- Der Anteil von Fertigungsfehlern sinkt ebenfalls drastisch, die Reproduzierbarkeit steigt; damit steigt die Qualität bei geringerem Prüfauf wand.
- Die Schichtstrukturen können mit Entfiechtungsprogrammen optimiert werden (z.B. Wärmeverteilung, Materialeinsatz, elektromagnetische Verträglichkeit, optimale Bestückung).
- Die Größe und das Gewicht der Geräte und Strukturen wird
optimiert.
- Die Möglichkeiten der Prüfautomation in der Fertigung steigt
- die teueren Verdrahtungsprüfungen am Endgerät werden reduziert.
- Bei der Fertigung von automatengerechten Leistungs-Multi-Layern
nach der Erfindung können rationelle Technologien genutzt
werden, wie z.B. das Sintern, das Bedampfen, das Spattern,
das Gießen oder Technologien der Halbleiterherstellung, so
daß bei der Fertigung der Layer (Schichten) erhebliche Rationalisierungen
möglich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Leistungs-Muiti-Layer-Platte
und Fig. 2 eine Ansicht von Modulen bzw. sonstigen Leistungselektronik-Bauelementen
auf einer mit einem Kühlkörper verbundenen
Keramikschicht.
Gemäß Fig. 1 ist ein Haibleiter-Leistungsmodul 1, das eine Halbleiterstruktur 2 beinhaltet, über seine Kontaktflächen 3 mit einer Anordnung nach der Erfindung verbunden, die eine flächige Verbindung dieses Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit (hier nicht, aber in Fig. 2 gezeigten) einem oder mehreren Leistungselektronik-Bauelementen gewährleistet.
Diese Anordnung weist übereinander angeordnete Schichten 4 aus elektrisch isolierendem Material auf. Sofern es - wie im vorliegenden Falle angenommen - nötig ist, Verlustwärme von dem thermisch gut leitenden Gehäuse des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 gezielt und verstärkt abzuführen, wird als elektrisch isolierendes Material ein thermisch guter Leiter gewählt, z.B. Keramik aus Aluminiumnitrid. Die Schichten 4 sind mit einem wärmeleitenden Kleber verklebt. Sie liegen mit ihrer dem
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Halbleiter-Leistungsmodul 1 abgewandten Seite an einem Kühlkörper 6 (z.B. aus Aluminium) an, der hier noch zusätzliche Kühikanäie 8 für z.B. eine Wasser- oder eine Wärmerohrkühiung aufweist. Die am Kühlkörper 6 unmittelbar anliegende Schicht 4 ist dann zweckmäßig vollständig aus isolierendem Material gebildet, sofern der Kühlkörper 6 aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt ist. Der Kühlkörper 6 kann jedoch ebenfalls aus gut wärmeleitender Keramik bestehen. Auch können noch zusätzliche Kühlsysteme in die Schichten 4 integriert sein.
Zur elektrischen Verbindung des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit den (nicht gezeigten) weiteren Leistungselektronik-Bauelementen sind in die Schichten 4 aus isolierendem Material jeweils schichthoch Leiterbahnen 5 eingebettet.
Die Einbettung kann z.B. dadurch geschehen, daß aus Keramikplatten entsprechenden Umfangs die Umrisse der gemäß einem Routerprogramm vorgeplanten Leiterzüge zunächst mittels eines abrasiven Hochdruck-Wasserstrahl-Schneidens ausgeschnitten werden, daß zusätzlich aus Platten gleicher Höhe wie die Keramikplatte aus elektrisch leitfähigem Materil, z.B. Kupfer, die im Umriss der Leiterzüge benötigten Leiterbahnen durch Hochdruck-Wasserstrahl-Schneiden und/oder einen Stanzvorgang und/oder durch ein Schneiden mit einem Laserstrahl ausgeschnitten werden und dann in die Ausschnitte der Keramikplatte eingefügt werden.
Zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen 5 in verschiedenen Schichten 4 sind Verbindungsschichten 7 vorgesehen, die ebenfalls aus elektrisch isolierendem und falls gewünscht thermisch gut leitendem Material bestehen und in die an den vertikalen Verbindungsstellen zwischen den Leiterbahnen 5 schichthoch elektrisches Leitermaterial, z.B. Kupfer, eingefügt ist. Zur besseren elektrischen Kontaktierung dieser Verbindungsstellen werden diese z.B. durch flußmittelfreies Hartlöten unter Druck auf die Anordnung in einem Ofen verbunden.
Die Leistungselektronik-Bauelemente wie z.B. das Halbleiter-Leistungsmodul 1 können ganz oder teilweise in Ausnehmungen der Schichten 4 und/oder der Verbindungsschichten 7 angeordnet bzw. in die Schichten 4 bzw. 7 integriert sein. Auch ist es vielfach sinnvoll, die
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Leistungselektronik-Bauelemente direkt auf einem Kühlkörper anzuordnen und die Anordnung nach der Erfindung als Leistungs-Multi-Layer-System zur Verschaltung der Bauelemente auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Bauelemente vorzusehen. Die Bauelemente sind z.B. jeweils mit wärmeleitendem Klebstoff am Kühlkörper befestigt.
Ist die Anordnung nach der Erfindung unmittelbar mit einem Kühlkörper verbunden, ist es vorteilhaft, daß die den Kühlkörper am weitesten abgewandte Schicht 4 (ggf. unter Zwischenschaltung einer elektromagnetischen Abschirmschicht) Steuerungsbauelemente für die Leistungselektronik-Bauelemente oder eine entsprechende Steuerungsplatine trägt.
Wie man leicht erkennt, stellen die einzelnen Schichten 4 bzw. auch die Zwischenschichten 7 jeweils Montageebenen dar, so daß eine automatisierungsgerechte Montage ohne Schwierigkeit möglich ist.
Um die elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen, können zwischen den einzelnen Schichten elektromagnetische Abschirmschichten angeordnet sein.
Zur Verbindung mit äußeren elektrischen Anschlüssen, z.B. Rückwandverdrahtungsplatten (Backplane) können die Schichten 4 bzw. Verbindungsschichten 7 seitliche Verlängerungen und/oder Aussparungen der Leiterbahnen 5 bzw. des elektrisch leitenden Materials aufweisen, die mit Gegenkontakten die elektrische Außenverbindung herstellen.
Fig. 2 zeigt die Ansicht von einzelnen automatisierungsgerecht in einer Ebene angeordneten Leistungselektronik-Bauelementen 9 (wie z.B. das Halbleiter-Leistungsmodul 1 oder Widerstände, Drosseln und Kondensatoren), deren elektrische Kontaktflächen sich auf ihrer Unterseite befinden. Eine wärmeleitende Keramik Iu mit einem in Fig. 1 gezeigten Schichtaufbau dient der Wärmeableitung von den Leistungselektronik-Bauelementen 9 an den Kühlkörper 6 und der Verbindung der Leistungselektronik-Bauelemente 9 untereinander mit eingebetteten, gestrichelt angedeuteten Leiterbahnen 5.

Claims (15)

ABB Daimler-Benz Transportation (Deutschland) GmbH Am Rathenaupark D-16761 Hennigsdorf B 96/1 Ham-zg Schutzansprüche
1. Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen,
gekennzeichnet durch
übereinander angeordnete Schichten (4) aus elektrisch isolierendem Material, in das schichthoch elektrische, die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) verbindende Leiterbahnen (5) eingebettet sind und
zwischen diesen Schichten vorgesehene und mit ihnen verhaftete Verbindungsschichten (7) aus ebenfalls elektrisch isolierendem Material, in die schichthoch elektrisches Leitermaterial an Stellen eingefügt ist, an denen eine Verbindung zwischen den Leiterbahnen (5) in den an der Verbindungsschicht (7) unmittelbar beidseitig anliegenden Schichten (4) nötig ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch isolierende Material der Schichten (4) und Verbindungsschichten (7) ganz oder teilweise aus Keramik besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisende Keramik vorgesehen ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramik ein Aluminiumnitrid ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Schichten und Verbindungsschichten (7) durch einen auf das elektrisch isolierende Material aufgebrachten wärmeleitenden Kleber verhaftet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterbahnen (5) der Schichten (4) und das elektrische Leitermaterial der Zwischenschichten (7) durch flußmittelfreies Hartlöten unter Druck auf die Anordnung in einem Ofen verbunden sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß eine äußerste Schicht (4) vollständig aus elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Material besteht und an einen Kühlkörper (6) gelegt ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die andere äußere Schicht Steuerungsbauelemente für die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) trägt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Einbettung der Leiterbahnen (5) in den Schichten (4) und/oder des Leitermaterials in den Verbindungsschichten (7) Lücken in dem isolierenden elektrischen Material durch abrasives Hochdruck-Wasserstrahl -Schneiden ausgeschnitten sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Züge der Leiterbahnen (5) in den Schichten (4) und/oder des elektrischen Leitermaterials in den Verbindungsschichten (7) durch ein Hochdruck-Wasserstrahl-Schneiden und/oder einen Stanzvorgang und/oder ein Schneiden mit einem Laserstrahl hergestellt werden.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten und/oder Verbindungsschichten (4 bzw. 7) Ausnehmungen aufweisen, in denen die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) angeordnet sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) in die Schichten (4 bzw. 7) integriert sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
zusätzliche Kühlsysteme in die Schichten (4 bzw. 7) integriert sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Schichten elektromagnetische Abschirmschichten .) angeordnet sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (4) bzw. Verbindungsschichten (7) seitliche Verlängerungen und/oder Aussparungen der Leiterbahnen (5) bzw. des elektrisch leitenden Materials aufweisen, die mit Gegenkontakten eine elektrische Außenverbindung herstellen.
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