EP4381909A1 - Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung - Google Patents

Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung

Info

Publication number
EP4381909A1
EP4381909A1 EP22760714.0A EP22760714A EP4381909A1 EP 4381909 A1 EP4381909 A1 EP 4381909A1 EP 22760714 A EP22760714 A EP 22760714A EP 4381909 A1 EP4381909 A1 EP 4381909A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power
power module
circuit board
connections
control circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22760714.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Hövermann
Marco KEMPE
Bettina ERBEN
Martin Steinau
Michael Haber
Peter Krasselt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies Germany GmbH filed Critical Vitesco Technologies Germany GmbH
Publication of EP4381909A1 publication Critical patent/EP4381909A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/071—Connecting or disconnecting
    • H10W72/075—Connecting or disconnecting of bond wires
    • H10W72/07551—Connecting or disconnecting of bond wires characterised by changes in properties of the bond wires during the connecting
    • H10W72/07552—Connecting or disconnecting of bond wires characterised by changes in properties of the bond wires during the connecting changes in structures or sizes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/50—Bond wires
    • H10W72/521—Structures or relative sizes of bond wires
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/50—Bond wires
    • H10W72/541—Dispositions of bond wires
    • H10W72/5445—Dispositions of bond wires being orthogonal to a side surface of the chip, e.g. parallel arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/90—Bond pads, in general
    • H10W72/931—Shapes of bond pads
    • H10W72/932—Plan-view shape, i.e. in top view
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
    • H10W90/754—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Definitions

  • the present invention relates to a power circuit, in particular a power inverter or a power DC/DC converter, specifically for an electrically driven motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for producing said power circuit.
  • power circuits such as As power inverters or power DC-DC converters are used in many power systems such. B. electrically powered vehicles used.
  • a reliable functionality of the power circuits is enormously important due to their place of use. This results in the general requirement to make the power circuits more reliable in terms of their functionality.
  • the power circuits must also be manufactured as cost-effectively as possible.
  • the object of the present application is therefore to provide a possibility with which an above-mentioned power circuit can be designed more reliably and manufactured more cost-effectively.
  • a power circuit in particular a power inverter or a power DC/DC converter, specifically for an electrically driven motor vehicle, is provided.
  • the power circuit has at least one power module, for example an inverter half-bridge, which has at least one encapsulated or molded section (or circuit section).
  • the power circuit also has at least one control circuit board, which is arranged on the power module.
  • the power module has contact surfaces (or contact elements with contact surfaces), which are provided on a top side of the power module facing the control circuit board. The contact surfaces are used to create signal-carrying power connections with the control circuit board.
  • the control printed circuit board has at least one recess which at least partially exposes the aforementioned contact surfaces on the section of the power module.
  • the control circuit board also has contact surfaces that are located on the edge of the recess.
  • the contact surfaces on the section of the power module are each connected to the respective corresponding contact surfaces of the control circuit board via direct (or directly and at least partially) power connections passed through the above-mentioned recess or reaching up to the recess.
  • the contact surfaces of the control printed circuit board are each (directly) electrically connected to the respective contact surfaces on the section of the power module.
  • the power module typically has power circuit components such as B. power semiconductor switches, which form one or more of the inverter half bridges of the power inverter, for example, in the event that the power circuit is a polyphase power inverter.
  • B. power semiconductor switches which form one or more of the inverter half bridges of the power inverter, for example, in the event that the power circuit is a polyphase power inverter.
  • the injection molding compound or molding compound fixes the power circuit components to one another and possibly also to the components of the power module or the power circuit outside the circuit section.
  • the injection molding compound or molding compound serves as a mechanical protection to protect the circuit section of the power module and thus the power circuit components in the injection molding compound or molding compound from mechanical influences such. B. external mechanical shocks.
  • the injection molding compound or molding compound is used for electrical insulation between the power circuit components in the section.
  • the injection molding compound or molding compound forms a stable mount for the circuit section or the power circuit components and their power current and signal connections.
  • the spraying compound or molding compound forms a support frame section with corresponding projections, such as. B. projections, depressions, grooves and / or Studs, used to attach the power module to other power circuit components and/or external devices.
  • the injection molding compound or molding compound can serve as a holder for the power and signal connections of the power module.
  • Thermosetting plastics, hard casting materials and also cement, for example, can be used as the starting material for the injection molding compound or molding compound.
  • the power module can be designed, for example, as a frame module or a molded module.
  • the control circuit board is mounted on the power module, this being mounted on the circuit section by known means such as e.g. B. screws can be attached.
  • a control circuit for controlling the power module can be formed on the control printed circuit board.
  • the power module has contact surfaces for producing (in particular signal-carrying) current connections, which face the control circuit board.
  • the contact surfaces facing the control circuit board enable short current connections from the power module to the control circuit board above.
  • the contact surfaces are formed, for example, as signal pads integrated into the power module or into the circuit section (or into the injection molding compound or molding compound).
  • the contact surfaces can be formed by connections (in particular signal-carrying) of the power circuit components embedded in the injection molding compound or molding compound, which are still covered by the injection molding compound or molding compound.
  • the contact surfaces serve to transmit the (module-internal) control and sensor signals.
  • the control printed circuit board in turn has at least one recess which at least partially exposes the above-mentioned contact surfaces on the power module or the circuit section.
  • the recess or the exposure of the contact surfaces on the circuit section enable the formation of direct, space-saving power connections between circuit components of the control circuit board, which are arranged on an upper side of the control circuit board facing away from the power module or circuit section, and the power circuit components on the circuit section through the recess.
  • the recess facilitates the connection process in which the power connections are attached to the contact pads of the circuit section, such as e.g. B. by (wire) bonding, soldering, sintering, (laser) welding.
  • the to Connection required means or tools can be placed through the recess on the contact surfaces of the circuit section.
  • control printed circuit board has contact surfaces which are electrically connected to the contact surfaces on the circuit section via direct current connections (or directly) routed through the recess.
  • the contact surfaces on the control circuit board are located at the edge of the recess, in particular on an upper side of the control circuit board facing away from the power module or circuit section.
  • the contact surfaces of the control circuit board are used, in particular, and analogously to the contact surfaces of the power module, to transmit the control and sensor signals (internal to the circuit board).
  • the recess In addition to the formation of direct, space-saving power connections, the recess also enables the power connections, which are largely routed through the recess and are thus surrounded by the control circuit board material, to be protected by the control circuit board from external influences, such as e.g. B. mechanical shocks are effectively protected.
  • the aforementioned power circuit components are, for example, as silicon (Si) - or silicon carbide (SiC) based semiconductor switches such.
  • Si silicon
  • SiC silicon carbide
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET silicon MOSFETs
  • SiC-MOSFET silicon carbide MOSFETs
  • control circuit board for controlling the power module is not integrated in the power module or the molded or remodeled circuit section, the power circuit can be produced with low production costs and a high level of flexibility in the selection and parameterization of the control circuit board.
  • a disadvantage that due to the spatial separation of the control circuit board from the power module, a low (parasitic) inductance in the control circuit from the control circuit board to the power module is difficult to achieve, can be overcome by the direct (or direct) power connections routed through the recess from the control circuit board to the power module can be avoided or its negative impact reduced.
  • the direct routed through the recess power connections the geometry of the (signal) wiring of the power connections, ie through the spanned area of forward and return conductors between the control circuit board on the one hand and the power module or the individual Power circuit components on the other hand, and thus the parasitic inductance can be reduced in this wiring. Consequently, fast and thus low-loss switching of the power circuit components or silicon (Si) or silicon carbide (SiC)-based semiconductor switches is made possible.
  • the direct, short power connections routed through the recess avoid the otherwise necessary, laterally longer (signal) cable routing on the power module, which involves comparatively higher parasitic inductances and is also susceptible to external influences, such as e.g. B. mechanical shocks.
  • the power connections routed directly through the recess can be implemented in a technically simple manner using simple means or tools.
  • the contact surfaces on the circuit section of the power module can be produced without additional sealing surfaces for the contacts using injection or molding tools.
  • the power circuit can be used for operating voltages of up to 1000 volts.
  • the contact areas on the circuit section of the power module or the contact areas on the control printed circuit board can be implemented on a relatively small area with a contact density of at least 10 contacts per square centimeter.
  • the recess facilitates the use of inexpensive, tried and tested reliable connection techniques such. B. bond, press-fit, plug, solder, sinter, or (laser) welded connection.
  • This provides a way of using a power circuit, such as e.g. B. a power inverter or a power DC-DC converter, especially for an electrically powered motor vehicle, more reliable and cost-effective to manufacture.
  • a power circuit such as e.g. B. a power inverter or a power DC-DC converter
  • the power connections are designed as bonded connections or press-fit connections or plug-in connections.
  • the power connections can also be designed as soldered connections or sintered connections or welded connections or laser-welded connections.
  • the bonded connections can be passed directly through the recess. If the power connections are designed as press-fit or plug-in connections, the press-fit or plug-in connections can be pushed through the recess (or recesses).
  • the control printed circuit board can have a number of recesses, in particular the same number of recesses as the number of press-fit pins. In this case, the press-fit pins are each pressed through one of the recesses.
  • the press-fit pins are arranged or attached to the corresponding contact surfaces on the circuit section of the power module as follows: First, the circuit section is overmolded or overmoulded, with the corresponding contact surfaces not being covered by the injection or Molding compound are covered or are exposed by the injection or molding compound. Then the press-fit pins are attached to the respective corresponding contact surfaces, for example soldered, sintered or welded (ultrasound welded or laser welded).
  • the press-fit pins are pressed or passed through the respective corresponding recesses.
  • the recesses may be preformed prior to placing and attaching the control circuit board on the power module or may be formed during placement and attachment by inserting the press-fit pins through corresponding locations in the control circuit board.
  • the power circuit can have inlays made of copper or a comparable low-resistance material, which are at least partially arranged in the recess, or inserted into the recess, or are inserted through the recess.
  • the contact surfaces of the control circuit board are molded on the inserts.
  • the contact surfaces of the power module are then soldered or sintered or (laser) welded onto the inserts or onto the contact surfaces of the control circuit board on the inserts.
  • the inserts form, for example, part of the power connections and at the same time also part of the contact surfaces of the control circuit board.
  • the contact surfaces on the section of the power module are in the same plane as the top side of the power module facing the control circuit board.
  • the contact surfaces on the section of the power module do not protrude more than 1 mm above the level of the upper side of the power module facing the control printed circuit board, or are embedded no more than 1 mm into this upper side of the power module.
  • the contact surfaces of the power module can be on the same level as a projection of the section, with the projection protruding relative to the rest of the section and/or protruding into the recess or even protruding through the recess.
  • the contact surfaces of the power module may be in the same plane as the top of the control circuit board facing the power module, or no more than 1 mm above the level of the top of the control circuit board facing the power module, or no more than 1 mm below the Level of the top of the control circuit board facing the power module.
  • the contact surfaces of the power module may be in the same plane as the top of the control PCB facing away from the power module, or no more than 1 mm above the level of the top of the control PCB facing away from the power module, or no more than 1 mm below the level on the top of the control circuit board facing away from the power module.
  • the contact surfaces of the power module lie on the same level as a depression in the section, the depression lying deeper than the rest of the section.
  • the indentation is formed, in particular, in the form of a blind hole surrounded by the edge.
  • the contact areas of the control circuit board are formed on the bottom of the blind hole.
  • the contact surfaces of the control circuit board are provided on a top side of the control circuit board that faces away from the power module.
  • the contact areas of the control circuit board can be provided on a top side of the control circuit board that faces the power module.
  • control circuit board rests directly on the power module section.
  • control printed circuit board can rest indirectly on the section of the power module via an intermediate layer of the power module or the power circuit.
  • the intermediate layer can be an insulating layer or an electromagnetic shielding layer (or an electromagnetic shielding device to improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the power circuit) that electrically isolates or electromagnetically shields the power module from the control circuit board.
  • the intermediate layer has (viewed in the direction of longitudinal extent and transverse direction of extent of the power module) at the height of the recess in the control circuit board a recess which, like the recess in the control circuit board, exposes the contact surfaces of the power module.
  • control circuit board has a control circuit which is connected to the contact surfaces of the control circuit board in a signal-transmitting manner.
  • the power module has exposed power connections, which protrude from the molded or molded section at least on an upper side of the power module and extend parallel to the longitudinal extension direction of the power module.
  • the power module has power semiconductor switches with control connections, the control connections being connected to the contact surfaces of the power module in a signal-transmitting manner.
  • the power module can also have connections for the transmission of (low-power) signals (signals without high power transmission), such as e.g. B. sensor signals (e.g. signals of a current or temperature measurement) or data signals.
  • the recess in the control circuit board extends through the entire thickness of the control circuit board and forms a sealed through hole in the control circuit board.
  • the contact surfaces are arranged in several groups, which are isolated from one another by a minimum distance from one another (depending on the line requirements) for voltages of less than 100 volts or at least 100 volts, 200 volts, 400 volts or 800 volts, 1000 volts or more.
  • the recess can be at least partially filled with an insulating material that electrically insulates the respective contact surface groups from one another for voltages of less than 100 volts or at least 100 volts, 200 volts, 400 volts or 800 volts, 1000 volts or more.
  • the recess in the control circuit board (possibly also the recess in the intermediate layer of the power module or the power circuit) is at least partially filled with an insulating material.
  • the power circuit is designed as a multi-phase inverter or a part thereof, or as an inverter half-bridge with a control circuit board.
  • the power circuit has at least one driver circuit of the inverter or the inverter half-bridge.
  • the power module can have one or more inverter half-bridges, or one or more power semiconductors or power semiconductor switches.
  • a method of manufacturing a power circuit as described above is provided.
  • At least one power module is provided. At least a portion of the power module is overmolded or overmolded. The section of the power module is overmolded or overmoulded in such a way that it has at least one contact surface on an upper side of the power module on which a control circuit board of the power circuit is arranged or which will face the control circuit board to be arranged subsequently. At least one control printed circuit board with at least one recess is arranged on the power module. The control printed circuit board is arranged on the power module in such a way that the recess at least partially exposes the contact surface of the power module.
  • the contact surface of the power module is connected to at least one contact surface of the control circuit board, which is located at the edge of the recess of the control circuit board, via a direct power connection that is at least partially routed through the recess or reaches up to the recess.
  • FIG. 1 shows a section of a power circuit according to a first exemplary embodiment of the invention in a schematic cross-sectional representation
  • FIG. 2 shows a section of the power circuit from FIG. 1 in a schematic plan view
  • FIG. 3 shows a further schematic cross-sectional illustration of a section of a power circuit according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a further schematic cross-sectional illustration of a section of a power circuit according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a further schematic cross-sectional representation of a section of a power circuit according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 and 2 each show a schematic cross-sectional representation and a schematic plan view of a section of a power circuit LS according to a first exemplary embodiment of the invention, which forms part of a multi-phase power inverter of an electrically driven vehicle, for example.
  • the power circuit LS has a power module LM with a power semiconductor switch HS (or two or more power semiconductor switches, each of which can consist of one or more power semiconductors) as an inverter half bridge or more inverter half bridges of the power inverter or a part thereof and a control circuit SS for driving the power module LM or .
  • the power module LM is on a ceramic circuit board KT such. B. a DBG or AM B carrier (in English "Direct Bond Copper (DBC)" or "Active Metal Brazed (AMB) Ceramic Substrates") formed.
  • the control circuit SS is formed on a control circuit board ST, which is arranged on the power module LM.
  • the power module LM can also be embodied (via an electrical insulation layer) directly on a heat sink (thus without a ceramic circuit carrier).
  • the power module LM has a circuit section AB, which is molded (or encapsulated) by an electrically insulating molding compound MM (or an electrically insulating spraying compound).
  • the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches) is at least partially embedded in the molding compound MM (or injection molding compound) and forms part of the circuit section AB.
  • the power module LM On a top side OS1 of the circuit section AB facing the control circuit board ST, the power module LM has electrical contact areas KF1 (e.g. in the form of bondable signal pads), which are essentially in the same plane as that of the top side OS1 of the circuit section AB and are therefore not covered by the molding compound MM (or spraying compound).
  • the contact surfaces KF1 are used to produce control-signal-carrying contacts between the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches) and the control circuit SS.
  • the contact surfaces KF1 either form the top-side control signal connection of the power semiconductor switch HS (or the top-side control signal connections of the power semiconductor switches) or are connected to the top-side control signal connection of the power semiconductor switch HS (or the top-side control signal connections of the Power semiconductor switch) electrically contacted directly.
  • the power semiconductor switch HS is formed as a silicon IGBT with a diode or as a silicon carbide MOSFET (or the power semiconductor switches are formed as silicon IGBTs each with a diode or silicon carbide MOSFETs).
  • the contact surfaces KF1 of the power module LM form the gate connections (or the auxiliary emitter connections or the Kelvin source connections) of the respective power semiconductor switch HS, or are connected to the gate connections (or the auxiliary emitter Connections or the Kelvin source connections) of the respective power semiconductor switches HS directly (or indirectly via gate series resistors or via other circuit components in the gate drive circuit) electrically connected.
  • the power module LM also has power terminals LA in the form of bus bars, which extend out of the circuit section AB and thus out of the molding compound MM (or injection molding compound) in a longitudinal extension direction LR of the power circuit LS or the power module LM extend.
  • the power connections LA are each directly electrically connected to the respective corresponding underside power current connections of the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switch), for example soldered, sintered or welded onto the respective corresponding power current connections.
  • the power connections LA are arranged on a top side of the power semiconductor switch HS (or the control signal connections of the power semiconductor switches) facing away from the control circuit board ST and are directly electrically connected to the underside power current connections of the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches).
  • the power terminals LA each have an exposed end portion via which the power module LM to external electrical devices such. B. is electrically connected to an energy storage device or an electric motor. Depending on their connections to the corresponding power current connections of the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches), the power connections LA each form a supply current connection or a phase current connection.
  • the power connections LA rest on the ceramic carrier KT and are physically and thermally connected to the ceramic carrier KT.
  • the power connections LA are typically electrically connected directly or indirectly (for example via a shunt) to the power connections of the power semiconductor HS or the power semiconductors.
  • the power connections LA are directly electrically connected to the collector or emitter connections of the respective power semiconductor switch HS. If the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches are) formed as silicon carbide MOSFETs, then the power connections LA are directly electrically connected to the drain or source connections of the respective power semiconductor switch HS.
  • the control printed circuit board ST has at least one recess AS, which extends through the entire thickness of the control printed circuit board ST and forms a through-hole in the control printed circuit board ST which is enclosed at the edge.
  • the recess AS is located at the level of the contact surfaces KF1, viewed in a direction of longitudinal extent LR of the power circuit LS or of the power module LM, and thus exposes the contact surfaces KF1.
  • the control circuit board ST also has electrical contact areas KF2 (for example in the form of bondable signal pads) which are arranged on a top side OS2 of the control circuit board ST facing away from the power module LM and on the edge of the cutout AS.
  • the contact surfaces KF2 are used analogously to the contact surfaces KF1 of the power module LM to produce control-signal-carrying contacts between the power semiconductor switch HS (or the power semiconductor switches) of the power module LM and the control circuit SS.
  • the contact surfaces KF2 form part of the control circuit SS.
  • the power circuit LS also has bond connections BD as current connections, which are routed directly through the recess AS and electrically connect the respective contact surfaces KF2 of the control circuit board ST directly to the respective corresponding contact surfaces KF1 of the power module LM. Due to the spatial distance and the electrically insulating molding compound MM (or injection molding compound) between the bond connections BD on the one hand and the power connections LA on the other hand, the bond connections BD are optimally electrically insulated from the power connections LA. Accordingly, the power circuit LS can be used for (operating) voltages and voltage differences of 1000 volts and above. For mechanical stabilization and/or for electrical insulation of the bond connections BD, the cavity of the recess AS can be covered with a correspondingly suitable insulation material (such as glob top, for example).
  • the contact surfaces KF1 of the power module LM close flat with the surface of the molding compound MM (or injection molding compound) of the top side OS1 of the circuit section AB facing the control printed circuit board ST. As a result, no additional sealing surfaces are required on the mold tool.
  • the distances between the bond connections BD can be reduced to a length of a few millimeters, depending on the thickness of the control circuit board ST. Bond wire distances of 1 millimeter and below are also easy to achieve. Accordingly, power connections with a parasitic inductance well below 5 nH (nanohenry) can be implemented.
  • the power circuit LS is produced, for example, as follows:
  • the power module LM is provided.
  • Section AB of the power module LM is overmolded or overmoulded.
  • the section AB of the power module LM is overmoulded or encapsulated in such a way that it has at least one contact surface KF1 on the upper side OS1 of the power module LM facing the control circuit board ST to be placed next.
  • control printed circuit board ST with the recess AS is placed on the power module LM.
  • the control printed circuit board ST is arranged on the power module LM in such a way that the recess AS at least partially exposes the contact surface KF1.
  • FIG. 3 shows a section of a power circuit LS according to a second exemplary embodiment of the invention in a further schematic cross-sectional illustration.
  • the power circuit LS shown in Figure 3 differs from the power circuit shown in Figures 1 and 2 above all in that the circuit section AB has a partial area in the form of a projection VS (or several projections) on which (or on which) the Contact surfaces KF1 of the power module LM are arranged.
  • the protrusion VS (the protrusions protrude) protrudes in relation to the rest of the section AB in the direction of the control circuit board ST and through the recess AS of the control circuit board ST. Accordingly, the contact surfaces KF1 of the power module LM lie in the same plane as the upper side OS2 facing away from the power module LM or the contact surfaces KF2 of the control circuit board ST.
  • the contacts of the bond connections BD on all bond pads or all contact surfaces KF1, KF2 can be at the same height realize, which additionally simplifies the bonding process.
  • the distances or the bond wire lengths of the respective bond connections BD can also be reduced, which in turn has a positive effect on the parasitic inductance.
  • This embodiment shown in FIG. 3 is particularly well suited when a greater distance is required between the power module LM and the control circuit board ST, especially when the control circuit board ST is also populated on both sides, i.e. also on an upper side OS3 facing the power module LM is and must therefore be arranged at a correspondingly greater distance from the power module LM.
  • FIG. 4 shows a section of a power circuit LS according to a third exemplary embodiment of the invention in a further schematic cross-sectional illustration.
  • the power circuit LS shown in FIG. 4 differs from the power circuit shown in FIGS. 1 and 2 primarily in that the circuit section AB has a sub-area (or several sub-areas) in the form of a depression VT (or depressions) in which ( or in which) the contact surfaces KF1 of the power module LM are arranged.
  • the depression VT (or the depressions are) in the form of formed an edge-enclosed blind hole and has the contact surfaces KF1 on the bottom of the blind hole.
  • press-fit areas can be provided in the contact surfaces KF1 of the power module LM, which can be encapsulated or encapsulated by the molding or spraying compound for sealing purposes.
  • the power connections can be implemented by means of a plug-in connection with a socket on the power module side and a plug on the control circuit board side.
  • the power circuit LS shown in FIG. 5 is similar to the power circuit shown in FIG. 3 with regard to the contact areas KF1 of the power module LM.
  • the circuit section AB of the power circuit LS shown in FIG. 5 has a partial area in the form of a projection VS on which the contact surfaces KF1 of the power module LM are arranged.
  • the projection VS protrudes in relation to the rest of the section AB in the direction of the control circuit board ST and extends to the top side OS3 of the control circuit board ST facing the power module LM.
  • the contact surfaces KF1 of the power module LM are (approximately) in the same plane as the upper side OS3 of the control circuit board ST facing the power module LM.
  • copper is used as the material of the contact surfaces KF1 of the power module LM.
  • the control circuit board ST has deposits (in English "Inlays") in the form of
  • the inserts have corresponding contact surfaces KF2 on the respective sections protruding into the recess AS, which correspond to the respective contact surfaces KF1 of the power module LM.
  • the contact surfaces KF2 of the respective inserts and thus of the control circuit board ST are (approximately) in the same plane as the upper side OS3 of the control circuit board ST facing the power module LM and thus touch the respective corresponding contact surfaces KF1 of the power module LM.
  • the copper material of the inserts is heated in a defined manner, so that a predetermined amount of copper liquefies and occurs on the contact surfaces KF1 of the power module LM (also made of copper) and is thus integrally connected to the contact surfaces KF1 of the power module LM.
  • the contact surfaces KF1 of the power module LM also made of copper
  • low-inductance current connections are produced between the power module LM and the control circuit board ST.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Offenbart wird eine Leistungsschaltung (LS), aufweisend: mindestens ein Leistungsmodul (LM), das mindestens einen umspritzten oder ummoldeten Abschnitt (AB) aufweist; mindestens eine Steuer-Leiterplatte (ST), die auf dem Leistungsmodul (LM) angeordnet ist; wobei das Leistungsmodul (LM) in dem Abschnitt (AB) Kontaktflächen (KF1) aufweist, die auf einer zur Steuer-Leiterplatte (ST) gewandten Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) vorgesehen sind; wobei die Steuer-Leiterplatte (ST) mindestens eine Ausnehmung (AS) aufweist, die die Kontaktflächen (KF1) zumindest teilweise freilegt; wobei die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) über direkte, zumindest teilweise durch die Ausnehmung (AS) hindurchgeführte oder an die Ausnehmung (AS) heran reichende Stromverbindungen (BD, PF, SV) mit Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) verbunden sind, die sich am Rand der Ausnehmung (AS) befinden. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer genannten Leistungsschaltung bereitgestellt.

Description

Beschreibung
Leistungsschaltung und Verfahren zum Herstellen einer Leistungsschaltung
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschaltung, insb. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer genannten Leistungsschaltung.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Leistungsschaltungen, wie z. B. Leistungsinverter oder Leistungsgleichspannungswandler, werden in vielen Leistungsanlagen wie z. B. elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Dabei ist eine zuverlässige Funktionalität der Leistungsschaltungen aufgrund deren Einsatzort enorm wichtig. Daraus besteht die allgemeine Anforderung, die Leistungsschaltungen in ihrer Funktionalität zuverlässiger zu gestalten. Darüber hinaus besteht wie bei allen technischen Vorrichtungen auch bei den Leistungsschaltungen, diese möglichst kosteneffizient herzustellen.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine oben genannte Leistungsschaltung zuverlässiger gestaltet und kosteneffizienter hergestellt werden können.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungsschaltung, insb. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, bereitgestellt.
Die Leistungsschaltung weist mindestens ein Leistungsmodul, bspw. einer Inverterhalbbrücke, auf, das mindestens einen umspritzten oder ummoldeten Abschnitt (bzw. Schaltungsabschnitt) aufweist. Die Leistungsschaltung weist ferner mindestens eine Steuer-Leiterplatte auf, die auf dem Leistungsmodul angeordnet ist. Das Leistungsmodul weist in dem oben genannten Abschnitt Kontaktflächen (bzw. Kontaktelemente mit Kontaktflächen) auf, die auf einer zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls vorgesehen sind. Die Kontaktflächen dienen zur Herstellung von signalführenden Stromverbindungen mit der Steuer-Leiterplatte.
Die Steuer-Leiterplatte weist mindestens eine Ausnehmung auf, die die zuvor genannten Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls zumindest teilweise freilegt. Die Steuer-Leiterplatte weist ferner Kontaktflächen auf, die sich am Rand der Ausnehmung befinden.
Dabei sind die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls jeweils über direkte, (bzw. direkt und zumindest teilweise) durch die oben genannte Ausnehmung hindurchgeführte oder an die Ausnehmung heran reichende Stromverbindungen mit den jeweiligen, korrespondierenden Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte verbunden.
Dadurch sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte jeweils mit den jeweiligen Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls (direkt) elektrisch verbunden.
Das Leistungsmodul weist in der Regel Leistungsschaltungskomponenten, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter, auf, die bspw. im Falle, dass die Leistungsschaltung ein mehrphasiger Leistungsinverter ist, eine oder mehrere der Inverterhalbbrücken des Leistungsinverters bilden.
Diese Leistungsschaltungskomponenten sind von einer elektrisch isolierenden Spritzmasse oder Moldmasse umspritzt bzw. ummoldet und bilden samt der Spritzmasse bzw. Moldmasse den oben genannten Schaltungsabschnitt. Die Spritzmasse bzw. Moldmasse fixiert dabei die Leistungsschaltungskomponenten zueinander und ggf. auch mit den Komponenten des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung außerhalb des Schaltungsabschnitts. Darüber hinaus dient die Spritzmasse bzw. Moldmasse zum einen als mechanischer Schutz zum Schutz des Schaltungsabschnitts des Leistungsmoduls und somit die Leistungsschaltungskomponenten in der Spritzmasse bzw. Moldmasse vor mechanischen Einflüssen, wie z. B. äußeren mechanischen Stößen. Zum anderen dient die Spritzmasse bzw. Moldmasse zur elektrischen Isolation zwischen den Leistungsschaltungskomponenten in dem Abschnitt. Außerdem bildet die Spritzmasse bzw. Moldmasse eine stabile Halterung für den Schaltungsabschnitt bzw. die Leistungsschaltungskomponenten sowie deren Leistungsstrom- und Signal-Anschlüsse. Zudem bildet die Spritzmasse bzw. Moldmasse einen Trägerrahmen den Abschnitt mit entsprechenden Anformungen, wie z. B. Vorsprüngen, Vertiefungen, Nuten und/oder Stegen, zur Befestigung des Leistungsmoduls mit anderen Komponenten der Leistungsschaltung und/oder externen Vorrichtungen. Insb. kann die Spritzmasse bzw. Moldmasse als Halterung für die Leistungs- und Signal-Anschlüsse des Leistungsmoduls dienen.
Als Ausgangsmaterial für die Spritzmasse bzw. Moldmasse können bspw. Duroplaste, Hartvergussmaterialien und auch Zement verwendet werden. Das Leistungsmodul kann bspw. als ein Rahmenmodul oder ein Moldmodul ausgeführt sein.
Die Steuer-Leiterplatte ist auf dem Leistungsmodul angeordnet, wobei diese auf dem Schaltungsabschnitt mittels bekannten Mittels, wie z. B. Schrauben, befestigt werden kann. Dabei kann auf der Steuer-Leiterplatte eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leistungsmoduls gebildet sein.
Das Leistungsmodul weist in dem Schaltungsabschnitt und auf einer zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmodul bzw. des Schaltungsabschnitts Kontaktflächen zur Herstellung von (insb. signalführenden) Stromverbindungen auf, die zur Steuer-Leiterplatte gewandt sind. Die zur Steuer-Leiterplatte gewandten Kontaktflächen ermöglichen kurze Stromverbindungen von dem Leistungsmodul zur darüber liegenden Steuer-Leiterplatte. Dabei sind die Kontaktflächen bspw. als in das Leistungsmodul bzw. in den Schaltungsabschnitt (bzw. in die Spritzmasse bzw. Moldmasse) integrierte Signalpads gebildet. Alternativ können die Kontaktflächen durch (insb. signalführende) Anschlüsse der in die Spritzmasse bzw. Moldmasse eingebetteten Leistungsschaltungskomponenten gebildet sein, die noch von der Spritzmasse bzw. Moldmasse bedeckt sind. Insb. dienen die Kontaktflächen zur Übertragung der (modulinternen) Steuer- und Sensorsignale.
Die Steuer-Leiterplatte weist wiederum mindestens eine Ausnehmung auf, die die oben genannten Kontaktflächen auf dem Leistungsmodul bzw. dem Schaltungsabschnitt zumindest teilweise freiliegt.
Die Ausnehmung bzw. das Freilegen der Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt ermöglichen eine Bildung von direkten, bauraumsparenden Stromverbindungen zwischen Schaltungskomponenten der Steuer-Leiterplatte, die auf einer vom Leistungsmodul bzw. Schaltungsabschnitt abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte angeordnet sind, und den Leistungsschaltungskomponenten auf dem Schaltungsabschnitt durch die Ausnehmung hindurch. Insb. erleichtert die Ausnehmung den Verbindungsprozess, bei dem die Stromverbindungen auf die Kontaktflächen des Schaltungsabschnitts befestigt werden, wie z. B. durch (Draht-)Bonden, Löten, Sintern, (Laser-)Schweißen. Die zur Verbindung erforderlichen Mittel bzw. Werkzeuge durch die Ausnehmung hindurch auf den Kontaktflächen des Schaltungsabschnitts platziert werden können.
Die Steuer-Leiterplatte weist ihrerseits Kontaktflächen auf, die über direkte, (bzw. direkt) durch die Ausnehmung hindurchgeführte Stromverbindungen mit den Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt elektrisch verbunden sind. Dabei befinden sich die Kontaktflächen auf der Steuer-Leiterplatte am Rande der Ausnehmung, insb. auf einer vom Leistungsmodul bzw. Schaltungsabschnitt abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte. Die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte dienen insb. und analog zu den Kontaktflächen des Leistungsmoduls zur Übertragung der (leiterplatte-internen) Steuer- und Sensorsignale.
Neben der Bildung von direkten, bauraumsparenden Stromverbindungen ermöglicht die Ausnehmung zudem, dass die Stromverbindungen, die weitgehend durch die Ausnehmung hindurchgeführt sind und somit von dem Steuer-Leiterplatte-Material umgeben ist, durch die Steuer-Leiterplatte vor äußeren Einflüssen, wie z. B. mechanischen Stößen, effektiv geschützt sind.
Die zuvor genannten Leistungsschaltungskomponenten sind bspw. als Silizium (Si)- oder Siliziumkarbid (SiC)-basierte Halbleiterschalter, wie z. B. Silizium-IGBT (IGBT: Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), Silizium-MOSFETs (MOSFET: „Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor“) oder Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFET), gebildet.
Dadurch, dass die Steuer-Leiterplatte zur Ansteuerung des Leistungsmoduls nicht in dem Leistungsmodul bzw. dem umspritzten bzw. ummodelten Schaltungsabschnitt mitintegriert ist, lässt sich die Leistungsschaltung mit geringen Herstellungskosten und einer hohen Flexibilität bei der Auswahl und der Parametrisierung der Steuer-Leiterplatte herstellen.
Ein Nachteil, dass wegen der räumlichen Trennung der Steuer-Leiterplatte von dem Leistungsmodul eine niedrige (parasitäre) Induktivität im Ansteuerstromkreis von der Steuer-Leiterplatte zu dem Leistungsmodul schwer realisierbar ist, kann durch die direkten, (bzw. direkt) durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen von der Steuer-Leiterplatte zu dem Leistungsmodul vermieden bzw. dessen negative Auswirkung verringert werden. Durch die direkten durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen können die Geometrie der (Signal-)Leitungsführung der Stromverbindungen, d. h. durch die aufgespannte Fläche von Hin- und Rückleiter zwischen der Steuer-Leiterplatte einerseits und dem Leistungsmodul bzw. den einzelnen Leistungsschaltungskomponenten andererseits, und somit auch die parasitäre Induktivität in dieser Leitungsführung reduziert werden. Folglich ist ein schnelles und damit verlustarmes Schalten der Leistungsschaltungskomponenten bzw. Silizium (Si)- oder Siliziumkarbid (SiC)-basierten Halbleiterschalter ermöglicht.
Die direkten, durch die Ausnehmung hindurchgeführten kurzen Stromverbindungen vermeiden eine sonst erforderliche, seitliche längere (Signal-)Leitungsführung am Leistungsmodul, die vergleichsweise höhere parasitäre Induktivitäten mit sich bringt und zudem anfällig für externe Einflüsse, wie z. B. mechanische Stöße, ist. Darüber hinaus lassen sich die direkt durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen mit einfachen Mitteln bzw. Werkzeugen technisch einfach realisieren. Insb. können die Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls ohne zusätzliche Dichtflächen für die Kontakte mit Spritz- bzw. Mold-Werkzeugen hergestellt werden.
Mit einer geeigneten elektrischen Isolation der Stromverbindungen voneinander und von den restlichen Schaltungskomponenten auf dem Leistungsmodul bzw. auf der Steuer-Leiterplatte kann die Leistungsschaltung für Betriebsspannungen von bis zu 1000 Volt eingesetzt werden.
Die Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls bzw. die Kontaktflächen auf der Steuer-Leiterplatte lassen sich auf relativ kleiner Baufläche mit einer Kontaktdichte von min. 10 Kontakten pro Quadratzentimeter realisieren.
Darüber hinaus erleichtert die Ausnehmung die Verwendung von kostengünstigen, lang erprobten zuverlässigen Verbindungtechniken wie z. B. Bond-, Press-Fit-, Steck-, Löt-, Sinter-, oder (Laser-)Schweiß-Verbindung.
Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, eine Leistungsschaltung, wie z. B. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, zuverlässiger zu gestalten und kosteneffizienter herzustellen.
Bspw. sind die Stromverbindungen als Bondverbindungen oder Press-Fit-Verbindungen oder Steckverbindungen ausgeführt. Alternativ können die Stromverbindungen aber auch als Lötverbindungen oder Sinterverbindungen oder Schweißverbindungen bzw. lasergeschweißte Verbindungen ausgeführt sein.
Im Falle, dass die Stromverbindungen als Bondverbindungen ausgeführt sind, können die Bondverbindungen direkt durch die Ausnehmung hindurchgeführt sein. Im Falle, dass die Stromverbindungen als Press-Fit- oder Steckverbindungen ausgeführt sind, können die Press-Fit- bzw. Steckverbindungen durch die Ausnehmung (bzw. die Ausnehmungen) hindurchgesteckt sein.
Im Falle, dass die Stromverbindungen als Press-Fit-Verbindungen mit Press-Fit-Pins ausgeführt sind, kann die Steuer-Leiterplatte mehrere Ausnehmungen, insb. die gleiche Anzahl von Ausnehmungen wie die Anzahl der Press-Fit-Pins, aufweisen. In diesem Fall sind die Press-Fit-Pins jeweils durch eine der Ausnehmungen hindurchgepresst sein.
Die Anordnung bzw. die Befestigung der Press-Fit-Pins auf die entsprechenden Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls erfolgt in diesem Fall insb. wie folgt: Zunächst wird der Schaltungsabschnitt umspritzt bzw. ummoldet, wobei die entsprechenden Kontaktflächen nicht von der Spritz- bzw. Moldmasse bedeckt werden bzw. von der Spritz- bzw. Moldmasse freigelegt werden. Danach werden die Press-Fit-Pins jeweils auf die jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen befestigt, bspw. aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt (ultraschalgeschweißt oder lasergeschweißt).
Bspw. werden die Press-Fit-Pins bei Platzieren und Befestigen der Steuer-Leiterplatte auf das Leistungsmodul bzw. auf den Schaltungsabschnitt jeweils durch die jeweiligen korrespondierenden Ausnehmungen hindurchgepresst bzw. hindurchgeführt. Die Ausnehmungen können vor dem Anordnen und Befestigen der Steuer-Leiterplatte auf dem Leistungsmodul vorgeformt sein oder während des Anordnens und Befestigens durch Hindurchstecken der Press-Fit-Pins durch entsprechende Stellen in der Steuer-Leiterplatte geformt werden.
Im Falle, dass die Stromverbindungen als Löt- oder Sinter- oder (Laser-)Schweißverbindungen ausgeführt sind, kann die Leistungsschaltung Einlagen (auf Englisch „Inlays“) aus Kupfer oder einem vergleichbaren niederohmigen Material aufweisen, die zumindest teilweise in der Ausnehmung angeordnet, oder in die Ausnehmung hineingesteckt, oder durch die Ausnehmung hindurchgesteckt sind. In diesem Fall sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf den Einlagen geformt. Die Kontaktflächen des Leistungsmoduls sind dann auf die Einlagen bzw. auf die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf den Einlagen aufgelötet oder aufgesintert oder (laser-)aufgeschweißt. Dabei bilden die Einlagen bspw. Teil der Stromverbindungen und zugleich auch Teil der Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte.
Bspw. liegen die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls. Alternativ ragen die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls nicht mehr als 1 mm über die Ebene der zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls heraus, oder sind nicht mehr als 1 mm in diese Oberseite des Leistungsmoduls eingelassen.
Alternativ können die Kontaktflächen des Leistungsmoduls auf einer Ebene eines Vorsprungs des Abschnitts liegen, wobei der Vorsprung gegenüber dem Rest des Abschnitts hervorragt und/oder in die Ausnehmung hineinragt oder gar durch die Ausnehmung hindurchragt.
Insb. kann die Kontaktflächen des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm über die Ebene der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm unter der Ebene der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte liegen.
Alternativ kann die Kontaktflächen des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm über die Ebene der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm unter der Ebene der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte liegen.
Bspw. liegen die Kontaktflächen des Leistungsmoduls auf einer Ebene einer Vertiefung des Abschnitts, wobei die Vertiefung gegenüber dem Rest des Abschnitts tiefer liegt. Dabei ist die Vertiefung insb. in Form von einem randumschlossenen Sackloch geformt. Die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte sind auf dem Boden des Sacklochs gebildet.
Bspw. sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf einer Oberseite der Steuer-Leiterplatte vorgesehen, die dem Leistungsmodul abgewandt ist. Alternativ können die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf einer Oberseite der Steuer-Leiterplatte vorgesehen sein, die dem Leistungsmodul gewandt ist.
Bspw. liegt die Steuer-Leiterplatte direkt auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls auf.
Alternativ kann die Steuer-Leiterplatte indirekt über eine Zwischenlage des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls aufliegen. Dabei kann die Zwischenlage eine Isolierschicht oder eine elektromagnetische Abschirmschicht (bzw. eine elektromagnetische Abschirmvorrichtung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der Leistungsschaltung) sein, die das Leistungsmodul von der Steuer-Leiterplatte elektrisch isoliert bzw. elektromagnetisch abschirmt. Die Zwischenlage weist (in Längserstreckungsrichtung und Quererstreckungsrichtung des Leistungsmoduls betrachtet) auf der Höhe der Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte eine Ausnehmung auf, die wie die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte die Kontaktflächen des Leistungsmoduls freilegt.
Bspw. weist die Steuer-Leiterplatte eine Steuerschaltung auf, die signalübertragend mit den Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte verbunden sind.
Bspw. weist das Leistungsmodul freiliegende Leistungsanschlüsse auf, die zumindest auf einer Oberseite des Leistungsmoduls aus dem umspritzten oder ummoldeten Abschnitt hinausragen und sich parallel zur Längserstreckungsrichtung des Leistungsmoduls erstrecken.
Bspw. verfügt das Leistungsmodul über Leistungshalbleiterschalter mit Steueranschlüssen, wobei die Steueranschlüsse signalübertragend mit den Kontaktflächen des Leistungsmoduls verbunden sind. Das Leistungsmodul kann alternativ oder zusätzlich zu den Steueranschlüssen auch Anschlüsse zur Übertragung von (Kleinleistungs-)Signalen (Signale ohne große Leistungsübertragung), wie z. B. Sensorsignalen (bspw. Signalen einer Strom- oder Temperaturmessung) oder Datensignalen, aufweisen.
Bspw. erstreckt sich die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte durch die gesamte Dicke der Steuer-Leiterplatte hindurch und bildet ein randumschlossenes Durchgangsloch in der Steuer-Leiterplatte.
Bspw. sind die Kontaktflächen in mehreren Gruppen angeordnet, die durch eine Mindestbeabstandung zueinander (je nach Leitungsanforderungen) für Spannungen von unter 100 Volt oder mindestens 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt, 1000 Volt oder mehr voneinander isoliert sind. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Ausnehmung mit einem Isoliermaterial zumindest teilweise verfüllt werden, das die jeweiligen Kontaktflächen-Gruppen für Spannungen von unter 100 Volt oder mindestens 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt, 1000 Volt oder mehr voneinander elektrisch isoliert.
Bspw. ist die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte (ggf. auch die Ausnehmung in der Zwischenlage des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung) mit einem Isoliermaterial zumindest teilweise verfüllt. Bspw. ist die Leistungsschaltung als ein mehrphasiger Inverter oder ein Teil davon, oder als eine Inverterhalbbrücke mit einer Steuer-Leiterplatte ausgebildet. Insb. weist die Leistungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung des Inverters oder der Inverterhalbbrücke auf. Das Leistungsmodul kann dabei eine oder mehrere Inverterhalbbrücken, oder einen oder mehrere Leistungshalbleiter bzw. Leistungshalbleiterschalter aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer zuvor beschriebenen Leistungsschaltung bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren wird mindestens ein Leistungsmodul bereitgestellt. Mindestens ein Abschnitt des Leistungsmoduls umspritzt oder ummoldet. Dabei wird der Abschnitt des Leistungsmoduls derart umspritzt oder ummoldet, dass dieser auf einer Oberseite des Leistungsmoduls, auf der eine Steuer-Leiterplatte der Leistungsschaltung angeordnet wird bzw. die der nachfolgend anzuordnenden Steuer-Leiterplatte zugewandt sein wird, mindestens eine Kontaktfläche aufweist. Auf das Leistungsmodul wird mindestens eine Steuer-Leiterplatte mit mindestens einer Ausnehmung angeordnet. Dabei wird die Steuer-Leiterplatte derart auf das Leistungsmodul angeordnet, dass die Ausnehmung die Kontaktfläche des Leistungsmoduls zumindest teilweise freilegt. Die Kontaktfläche des Leistungsmoduls wird über eine direkte, zumindest teilweise durch die Ausnehmung hindurchgeführte oder an die Ausnehmung heran reichende Stromverbindung mit mindestens einer Kontaktfläche der Steuer-Leiterplatte verbunden, die sich am Rand der Ausnehmung der Steuer-Leiterplatte befindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 in einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Abschnitt der Leistungsschaltung aus Figur 1 ;
Figur 3 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; Figur 4 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 5 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
Figur 1 und 2 zeigen jeweils in einer schematischen Querschnittdarstellung bzw. einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die bspw. ein Teil eines mehrphasigen Leistungsinverters eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bildet.
Die Leistungsschaltung LS weist ein Leistungsmodul LM mit einem Leistungshalbleiterschalter HS (oder zwei oder mehreren Leistungshalbleiterschaltern, die jeweils aus einem oder mehreren Leistungshalbleitern bestehen können) als eine Inverterhalbbrücke oder mehrere Inverterhalbbrücken des Leistungsinverters oder ein Teil davon und eine Steuerschaltung SS zum Ansteuern des Leistungsmoduls LM bzw. dessen Leistungshalbleiterschalters HS auf. Das Leistungsmodul LM ist auf einem Keramikschaltungsträger KT wie z. B. einem DBG- oder AM B-Träger (auf Englisch „Direct Bond Copper (DBC)“ bzw. „Active Metal Brazed (AMB) Ceramic Substrates“) gebildet. Die Steuerschaltung SS ist auf einer Steuer-Leiterplatte ST gebildet, die auf dem Leistungsmodul LM angeordnet ist. Das Leistungsmodul LM kann auch (über eine elektrische Isolationsschicht) direkt auf einem Kühlkörper (somit ohne einen Keramikschaltungsträger) ausgeführt sein.
Das Leistungsmodul LM weist einen Schaltungsabschnitt AB auf, der von einer elektrisch isolierenden Moldmasse MM (bzw. einer elektrisch isolierenden Spritzmasse) ummoldet (bzw. umspritzt) ist. In der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. die Leistungshalbleiterschalter) zumindest teilweise eingebettet und bildet Teil des Schaltungsabschnitts AB.
Auf einer zur Steuer-Leiterplatte ST gewandten Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB weist das Leistungsmodul LM elektrische Kontaktflächen KF1 (bspw. in Form von bondbaren Signal-Pads) auf, die im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die der Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB liegen und somit nicht von der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) bedeckt sind. Die Kontaktflächen KF1 dienen zur Herstellung von Steuersignal-führenden Kontaktierungen zwischen dem Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. den Leistungshalbleiterschaltern) und der Steuerschaltung SS. Dabei bilden die Kontaktflächen KF1 entweder an sich den oberseitigen Steuersignalanschluss des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. die oberseitigen Steuersignalanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter) oder sind mit dem oberseitigen Steuersignalanschluss des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. den oberseitigen Steuersignalanschlüssen der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch kontaktiert.
Der Leistungshalbleiterschalter HS ist als ein Silizium-IGBT mit einer Diode oder als ein Siliziumkarbid-MOSFET gebildet (bzw. die Leistungshalbleiterschalter sind als Silizium-IGBTs mit jeweils einer Diode oder Siliziumkarbid-MOSFETs gebildet). Die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM bilden dabei die Gate-Anschlüsse (bzw. die Hilfs-Emitter-Anschlüsse bzw. die Kelvin-Source-Anschlüsse) der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS, oder sind mit den Gate-Anschlüssen (bzw. den Hilfs-Emitter-Anschlüssen bzw. den Kelvin-Source-Anschlüssen) der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt (oder über Gate-Vorwiderstände oder über andere Schaltungskomponenten im Gate-Ansteuerkreis indirekt) elektrisch verbunden.
Das Leistungsmodul LM weist ferner Leistungsanschlüsse LA in Form von Stromsammelschienen (auf Englisch „Bus Bars“) auf, die sich aus dem Schaltungsabschnitt AB und somit aus der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) heraus in einer Längserstreckungsrichtung LR der Leistungsschaltung LS bzw. des Leistungsmoduls LM erstrecken. Dabei sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit jeweiligen korrespondierenden unterseitigen Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch verbunden, bspw. auf die jeweiligen korrespondierenden Leistungsstromanschlüsse aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt. Hierzu sind die Leistungsanschlüsse LA auf einer der Steuer-Leiterplatte ST abgewandten Oberseite des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. die Steuersignalanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter) angeordnet und mit den unterseitigen Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch verbunden. Die Leistungsanschlüsse LA weisen jeweils einen freiliegenden Endabschnitt auf, über die das Leistungsmodul LM an externen elektrischen Vorrichtungen, wie z. B. an einem Energiespeicher oder einem Elektromotor, elektrisch angeschlossen ist. Die Leistungsanschlüsse LA bilden je nach deren Verbindungen mit den korrespondierenden Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) jeweils einen Versorgungsstromanschluss oder einen Phasenstromanschluss. Die Leistungsanschlüsse LA liegen auf dem Keramikträger KT auf und sind mit dem Keramikträger KT körperlich wie thermisch verbunden. Die Leistungsanschlüsse LA sind typischer Weise direkt oder indirekt (bspw. über einen Shunt) mit den Leistungsanschlüssen des Leistungshalbleiters HS bzw. der Leistungshalbleiter elektrisch verbunden. Ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. sind die Leistungshalbleiterschalter) als Silizium-IGBTs, gebildet, so sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit den Kollektor- oder Emitter-Anschlüssen der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt elektrisch verbunden. Ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. sind die Leistungshalbleiterschalter) als Siliziumkarbid-MOSFETs, gebildet, so sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit den Drain- oder Source-Anschlüssen der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt elektrisch verbunden.
Die Steuer-Leiterplatte ST weist mindestens eine Ausnehmung AS auf, die sich durch die gesamte Dicke der Steuer-Leiterplatte ST hindurcherstreckt und ein randumschlossenes Durchgangsloch in der Steuer-Leiterplatte ST bildet. Dabei befindet die Ausnehmung AS in einer Längserstreckungsrichtung LR der Leistungsschaltung LS bzw. des Leistungsmoduls LM betrachtet auf der Höhe der Kontaktflächen KF1 und legt somit die Kontaktflächen KF1 frei.
Die Steuer-Leiterplatte ST weist ferner elektrische Kontaktflächen KF2 (bspw. in Form von bondbaren Signal-Pads) auf, die auf einer dem Leistungsmodul LM abgewandten Oberseite OS2 der Steuer-Leiterplatte ST und am Rand der Ausnehmung AS angeordnet sind. Die Kontaktflächen KF2 dienen analog zu den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM zur Herstellung von Steuersignal-führenden Kontaktierungen zwischen dem Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. den Leistungshalbleiterschaltern) des Leistungsmoduls LM und der Steuerschaltung SS. Dabei bilden die Kontaktflächen KF2 Teil der Steuerschaltung SS.
Die Leistungsschaltung LS weist ferner Bondverbindungen BD als Stromverbindungen auf, die direkt durch die Ausnehmung AS hindurchgeführt sind und die jeweiligen Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST direkt mit den jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM elektrisch verbinden. Durch die räumliche Distanz und die elektrisch isolierende Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) zwischen den Bondverbindungen BD einerseits und den Leistungsanschlüssen LA andererseits sind die Bondverbindungen BD von den Leistungsanschlüssen LA bestens elektrisch isoliert. Entsprechend ist die Leistungsschaltung LS für (Betriebs-)Spannungen und Spannungsdifferenzen von 1000 Volt und darüber eingesetzt werden. Zur mechanischen Stabilisierung und / oder zur elektrischen Isolation der Bondverbindungen BD kann der Hohlraum der Ausnehmung AS mit einem entsprechend geeigneten Isolationsmaterial (wie z. B. Glob Top) überzogen werden.
Die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM schließen sich mit der Oberfläche der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) der zur Steuer-Leiterplatte ST gewandten Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB flach ab. Dadurch sind keine zusätzlichen Dichtflächen am Moldwerkzeug benötigt.
Durch die direkte Führung der Bondverbindungen BD direkt durch die Ausnehmung AS lassen sich die Distanzen der Bondverbindungen BD je nach der Dicke der Steuer-Leiterplatte ST bis auf eine Länge von wenigen Millimetern reduzieren. Bonddrahtabstände von 1 Millimeter und darunter sind ebenfalls leicht zu realisieren. Entsprechend können Stromverbindungen mit einer parasitären Induktivität deutlich unterhalb von 5 nH (Nanohenry) realisiert werden.
Durch die Führung der Bondverbindungen BD direkt durch die Ausnehmung AS lassen sich auch vergleichsweise größere Fertigungs- und Platzierungstoleranzen zwischen den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einerseits und der darüber liegenden Steuer-Leiterplatte ST bzw. den Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST andererseits in einfacher Weise ausgleichen.
Die Herstellung der Leistungsschaltung LS erfolgt bspw. wie folgt:
Zuerst wird das Leistungsmodul LM bereitgestellt. Der Abschnitts AB des Leistungsmoduls LM wird umspritzt bzw. ummoldet. Dabei wird der Abschnitt AB des Leistungsmoduls LM derart umspritzt oder ummoldet, dass dieser auf der der im Anschluss zu platzierenden Steuer-Leiterplatte ST zugewandten Oberseite OS1 des Leistungsmoduls LM mindestens eine Kontaktfläche KF1 aufweist.
Danach wird die Steuer-Leiterplatte ST mit der Ausnehmung AS auf das Leistungsmodul LM platziert. Dabei wird die Steuer-Leiterplatte ST derart auf das Leistungsmodul LM angeordnet, dass die Ausnehmung AS die Kontaktfläche KF1 zumindest teilweise freilegt.
Anschließend wird die Kontaktfläche KF1 des Leistungsmoduls LM über mindestens eine direkte durch die Ausnehmung AS Bondverbindung BD mit mindestens einer Kontaktfläche KF2 der Steuer-Leiterplatte ST verbunden, die sich am Rand der Ausnehmung AS befindet. Figur 3 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die in Figur 3 dargestellte Leistungsschaltung LS unterscheidet sich von der in Figuren 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltung vor allem dadurch, dass der Schaltungsabschnitt AB einen Teilbereich in Form von einem Vorsprung VS (oder mehreren Vorsprüngen) aufweist, auf dem (bzw. auf denen) die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ragt der Vorsprung VS (ragen die Vorsprünge) gegenüber dem Rest des Abschnitts AB in Richtung zur Steuer-Leiterplatte ST hervor und durch die Ausnehmung AS der Steuer-Leiterplatte ST hindurch. Demzufolge liegen die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM abgewandten Oberseite OS2 bzw. der Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST.
Durch derartige Ausführung des Schaltungsabschnitts AB bzw. mit der Anhebung der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM auf die gleiche Bauhöhe der Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST lassen sich die Kontaktierungen der Bondverbindungen BD auf allen Bondpads bzw. allen Kontaktflächen KF1 , KF2 in der gleichen Höhe realisieren, was den Bondingprozess zusätzlich vereinfacht. Zudem lassen sich die Distanzen bzw. die Bonddraht-Längen der jeweiligen Bondverbindungen BD zusätzlich verkleinern, was wiederum positiv auf die parasitäre Induktivität wirkt.
Diese in Figur 3 dargestellte Ausführung ist besonders gut geeignet, wenn ein größerer Abstand zwischen dem Leistungsmodul LM und der Steuer-Leiterplatte ST benötigt wird, insb. wenn die Steuer-Leiterplatte ST beidseitig, also auch auf einer dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 ebenfalls bestückt ist und somit mit einem entsprechend größeren Abstand von dem Leistungsmodul LM beabstandet angeordnet werden muss.
Figur 4 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die in Figur 4 dargestellte Leistungsschaltung LS unterscheidet sich von der in Figuren 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltung vor allem dadurch, dass der Schaltungsabschnitt AB einen Teilbereich (oder mehre Teilbereiche) in Form von einer Vertiefung VT (bzw. von Vertiefungen) aufweist, in der (bzw. in denen) die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ist die Vertiefung VT (bzw. sind die Vertiefungen) in Form von einem randumschlossenen Sackloch geformt und weist die Kontaktflächen KF1 auf dem Boden des Sacklochs auf.
Durch derartige Ausführung des Schaltungsabschnitts AB bzw. mit der Vertiefung VT und der Anordnung der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM in der Vertiefung VT lassen sich sonstige Stromverbindungen als die in vorherigen Figuren 1 bis 3 dargestellten Bondverbindungen BD, wie z. B. Press-Fit-Verbindungen PF, bauraumsparend realisieren. Dabei können die Kontaktierungen der Press-Fit-Verbindungen PF auf die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM bspw. mittels Ultraschallschweißen, Löten oder Sintern hergestellt werden.
Zur Herstellung von zuverlässigen Press-Fit-Verbindungen können in den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM Press-Fit-Bereiche vorgesehen sein, die zur Abdichtung von der Mold- bzw. Spritzmasse ummoldet bzw. umspritzt sein können.
Alternativ zu den Press-Fit-Verbindungen können die Stromverbindungen mittels einer Steckverbindung mit einer leistungsmodul-seitigen Steckbuchse und einem steuer-leiterplatte-seitigen Stecker realisiert werden.
Figur 5 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die in Figur 5 dargestellte Leistungsschaltung LS ähnelt der in Figur 3 dargestellten Leistungsschaltung in Bezug auf den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM. Der Schaltungsabschnitt AB der in Figur 5 dargestellten Leistungsschaltung LS weist wie der in Figur 3 dargestellte Schaltungsabschnitt einen Teilbereich in Form von einem Vorsprung VS auf, auf dem die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ragt der Vorsprung VS gegenüber dem Rest des Abschnitts AB in Richtung zur Steuer-Leiterplatte ST hervor und reicht bis zur dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST. Entsprechend befinden sich die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM (ungefähr) in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST. Als das Material der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM wird in dieser Ausführungsform Kupfer verwendet.
Die Steuer-Leiterplatte ST weist Einlagen (auf Englisch „Inlays“) in Form von
Kupfer-Plättchen auf, die in die Steuer-Leiterplatte ST eingebettet sind und zumindest teilweise in die Ausnehmung AS hineinragen. Dabei weisen die Einlagen an den jeweiligen in die Ausnehmung AS hineinragenden Abschnitten entsprechende Kontaktflächen KF2 auf, die jeweils mit den jeweiligen Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM korrespondieren. Die Kontaktflächen KF2 der jeweiligen Einlagen und somit der Steuer-Leiterplatte ST befinden sich (ungefähr) in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST und berühren somit mit den jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM. Zur Herstellung von stabilen niederohmigen Stromverbindungen zwischen den Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST einerseits und den korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM sind diese paarweise miteinander lasergeschweißt. Die zur Laserschweißung erforderliche Laserlicht L wird beim Schweißvorgang durch die Ausnehmung AS in der Steuer-Leiterplatte ST hindurch bis zu jeweiligen Schweißpunkten auf den jeweiligen Einlagen bzw. den Kontaktflächen KF2 der jeweiligen Einlagen geführt. Fertigungstoleranzen zwischen dem Leistungsmodul LM bzw. den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einerseits und der Steuer-Leiterplatte ST bzw. den Steuer-Leiterplatte ST andererseits werden durch die Anwendung des „Limbo“-Laserschweißverfahrens ausgeglichen. Mit diesem Verfahren wird das Kupfermaterial der Einlagen definiert erhitzt, so dass eine vorbestimmte Menge vom Kupfer sich verflüssigt und auf die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM (ebenfalls aus Kupfer) tritt und sich so mit den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einstückig verbindet. Dadurch werden stabile, niederohmige und zugleich niederinduktive Stromverbindungen zwischen dem Leistungsmodul LM und der Steuer-Leiterplatte ST hergestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsschaltung (LS), aufweisend: mindestens ein Leistungsmodul (LM), das mindestens einen umspritzten oder ummoldeten Abschnitt (AB) aufweist; mindestens eine Steuer-Leiterplatte (ST), die auf dem Leistungsmodul (LM) angeordnet ist; wobei das Leistungsmodul (LM) in dem Abschnitt (AB) Kontaktflächen (KF1) aufweist, die auf einer zur Steuer-Leiterplatte (ST) gewandten Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) vorgesehen sind; wobei die Steuer-Leiterplatte (ST) mindestens eine Ausnehmung (AS) aufweist, die die Kontaktflächen (KF1) zumindest teilweise freilegt; wobei die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) über direkte, zumindest teilweise durch die Ausnehmung (AS) hindurchgeführte oder an die Ausnehmung (AS) heran reichende Stromverbindungen (BD, PF, SV) mit Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) verbunden sind, die sich am Rand der Ausnehmung (AS) befinden.
2. Leistungsschaltung (LS) nach Anspruch 1 , wobei die Stromverbindungen als Bondverbindungen (BD) oder Press-Fit-Verbindungen (PF) oder Steckverbindungen oder Lötverbindungen oder Sinterverbindungen oder (Laser-)Schweißverbindungen (SV) ausgeführt sind.
3. Leistungsschaltung (LS) nach Anspruch 2, wobei im Falle, dass die Stromverbindungen als Press-Fit-Verbindungen (PF) oder Steckverbindungen ausgeführt sind, die Press-Fit-Verbindungen bzw. Steckverbindungen durch die Ausnehmung (AS) hindurchgesteckt sind.
4. Leistungsschaltung (LS) nach Anspruch 3, wobei die Press-Fit-Verbindungen (PF) Press-Fit-Pins aufweisen, die jeweils auf die jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) befestigt, bspw. aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind, nachdem der Schaltungsabschnitt (AB) umspritzt bzw. ummoldet ist.
5. Leistungsschaltung (LS) nach Anspruch 2, wobei im Falle, dass die Stromverbindungen als Lötverbindungen oder Sinterverbindungen oder (Laser-)Schweißverbindungen (SV) ausgeführt sind, die Leistungsschaltung (LS) Einlagen aus Kupfer oder einem niederohmigen Material aufweist, die zumindest teilweise in der Ausnehmung (AS) angeordnet, oder in die Ausnehmung (AS) hineingesteckt, oder durch die Ausnehmung (AS) hindurchgesteckt sind, wobei die Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) auf den Einlagen geformt sind, und die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) auf die Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) aufgelötet oder aufgesintert oder (laser-)aufgeschweißt sind.
6. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) in der gleichen Ebene wie die der zur Steuer-Leiterplatte (ST) gewandten Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) liegen, oder nicht mehr als 1 mm über die Ebene der zur Steuer-Leiterplatte (ST) gewandten Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) herausragen, oder nicht mehr als 1 mm in diese Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) eingelassen sind.
7. Leistungsschaltung (LS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) auf einer Ebene eines Vorsprungs (VS) des Abschnitts (AB) liegen, wobei der Vorsprung (VS) gegenüber dem Rest des Abschnitts (AB) hervorragt und/oder in die Ausnehmung (AS) hineinragt und/oder durch die Ausnehmung (AS) hindurchragt.
8. Leistungsschaltung (LS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) auf einer Ebene einer Vertiefung (VT) des Abschnitts (AB) liegen, wobei die Vertiefung (VT) gegenüber dem Rest des Abschnitts (AB) tiefer liegt.
9. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) auf einer Oberseite (OS2) der Steuer-Leiterplatte (ST) vorgesehen sind, die dem Leistungsmodul (LM) abgewandt ist.
10. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer-Leiterplatte (ST) direkt auf dem Abschnitt (AB) des Leistungsmoduls (LM) aufliegt oder indirekt über eine Zwischenlage des Leistungsmoduls (LM) auf dem Abschnitt (AB) aufliegt.
11 . Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer-Leiterplatte (ST) eine Steuerschaltung (SS) aufweist, die signalübertragend mit den Kontaktflächen (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) verbunden sind. 19
12. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul (LM) freiliegende Leistungsanschlüsse (LA) aufweist, die aus dem umspritzten oder ummoldeten Abschnitt (AB) hinausragen.
13. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul (LM) über Leistungshalbleiterschalter mit Steuer- und/oder Signalanschlüssen verfügt, wobei die Steuer- bzw. Signalanschlüsse signalübertragend mit den Kontaktflächen (KF1) des Leistungsmoduls (LM) verbunden sind.
14. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (AS) in der Steuer-Leiterplatte (ST) sich durch die gesamte Dicke der Steuer-Leiterplatte (ST) hindurcherstreckt und ein randumschlossenes Durchgangsloch in der Steuer-Leiterplatte (ST) bildet.
15. Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leistungsschaltung (LS) als ein mehrphasiger Inverter oder ein Teil davon, oder als eine Inverterhalbbrücke mit einer Steuer-Leiterplatte (ST) oder ein Teil davon ausgebildet ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer Leistungsschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten:
Breitstellen eines Leistungsmoduls (LM);
Umspritzten oder Ummoldeten eines Abschnitts (AB) des Leistungsmoduls (LM);
Anordnen einer Steuer-Leiterplatte (ST) mit einer Ausnehmung (AS) auf das Leistungsmodul (LM); wobei der Abschnitt (AB) des Leistungsmoduls (LM) derart umspritzt oder ummoldet wird, dass dieser auf einer der Steuer-Leiterplatte (ST) zugewandten Oberseite (OS1) des Leistungsmoduls (LM) eine Kontaktfläche (KF1) aufweist; wobei die Steuer-Leiterplatte (ST) derart auf das Leistungsmodul (LM) angeordnet wird, dass die Ausnehmung (AS) die Kontaktfläche (KF1) zumindest teilweise freilegt; wobei die Kontaktfläche (KF1) des Leistungsmoduls (LM) über eine direkte, zumindest teilweise durch die Ausnehmung (AS) hindurchgeführte oder an die Ausnehmung (AS) heran reichende Stromverbindung (BD, PF, SV) mit einer Kontaktfläche (KF2) der Steuer-Leiterplatte (ST) verbunden wird, die sich am Rand der Ausnehmung (AS) befindet.
EP22760714.0A 2021-08-05 2022-08-02 Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung Pending EP4381909A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021208497.4A DE102021208497A1 (de) 2021-08-05 2021-08-05 Leistungsschaltung
PCT/EP2022/071623 WO2023012136A1 (de) 2021-08-05 2022-08-02 Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4381909A1 true EP4381909A1 (de) 2024-06-12

Family

ID=83080876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22760714.0A Pending EP4381909A1 (de) 2021-08-05 2022-08-02 Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4381909A1 (de)
DE (1) DE102021208497A1 (de)
WO (1) WO2023012136A1 (de)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005053974B3 (de) 2005-11-11 2007-03-01 Siemens Ag Elektronische Schaltungsanordnung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung
DE202009016531U1 (de) 2009-12-04 2011-04-14 Liebherr-Elektronik Gmbh Leistungselektronische Baugruppe und Wechselrichteranordnung
US9006031B2 (en) 2011-06-23 2015-04-14 Stats Chippac, Ltd. Semiconductor device and method of forming EWLB package with standoff conductive layer over encapsulant bumps
DE102013219833B4 (de) 2013-09-30 2020-02-13 Infineon Technologies Ag Halbleitermodul mit leiterplatte und vefahren zur hertellung eines halbleitermoduls mit einer leiterplatte
EP3217774B1 (de) * 2016-03-08 2018-06-13 ABB Schweiz AG Halbleitermodul
DE102019217186A1 (de) 2019-11-07 2021-05-12 Robert Bosch Gmbh Elektronische Baugruppe, insbesondere eine elektronische Leistungsbaugruppe für Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021208497A1 (de) 2023-02-09
WO2023012136A1 (de) 2023-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014116383B4 (de) Halbleitergehäuse umfassend ein transistor-chip-modul und ein treiber-chip-modul sowie verfahren zu dessen herstellung
DE69329501T2 (de) Verpackung für elektronische Komponenten
DE69635440T2 (de) Halbleiteranordnung mit einem Schaltungssubstrat und einem Gehäuse
DE112015000183B4 (de) Halbleitermodul und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102008051965B4 (de) Bauelement mit mehreren Halbleiterchips
DE19939933B4 (de) Elektronische Leistungs-Moduleinheit
CN103400832B (zh) 功率半导体装置
DE102016210161B4 (de) Halbleiterbauelement und Halbleiterbauelementherstellungsverfahren
DE102006060768B4 (de) Gehäusebaugruppe, DBC-Plantine im Wafermaßstab und Vorrichtung mit einer Gehäusebaugruppe für Geräte mit hoher Leistungsdichte
DE102013219833B4 (de) Halbleitermodul mit leiterplatte und vefahren zur hertellung eines halbleitermoduls mit einer leiterplatte
DE102019206523A1 (de) Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers
EP2019429A1 (de) Modul mit einem zwischen zwei Substraten, insbesondere DCB-Keramiksubstraten, elektrisch verbundenen elektronischen Bauelement und dessen Herstellungsverfahren
EP3794641B1 (de) Entwärmungsanordnung für ein halbleiterleistungsmodul
DE112017001646T5 (de) Leistungsmodul und verfahren zum herstellen desselben, sowie leistungselektronik-vorrichtung und verfahren zum herstellen derselben
DE102018203228A1 (de) Leistungshalbleitervorrichtung und Verfahren zur Fertigung derselben, und Leistungskonvertierungsvorrichtung
DE102019205772A1 (de) Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers
US6281579B1 (en) Insert-molded leadframe to optimize interface between powertrain and driver board
DE112021004935T5 (de) Halbleiterbauteil
EP4381909A1 (de) Leistungsschaltung und verfahren zum herstellen einer leistungsschaltung
DE102021006617A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbbrückenmoduls, Leistungshalbbrückenmodul, Leistungsinverter mit einem Leistungshalbbrückenmodul
DE10129006B4 (de) Elektronische Baugruppe
WO2021058185A1 (de) Träger für elektrische bauelemente und elektronikmodul
DE102018216596B4 (de) Leiterplattenvorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenvorrichtung und Getriebesystem für ein Fahrzeug mit einer Leiterplattenvorrichtung
DE102023113278B4 (de) Package mit einzelnem integralen elektrisch leitfähigen Körper, welcher zwei Transistorchips mit Halbrückenkonfiguration trägt sowie ein Verfahren zum Herstellen des Packages
DE112018003850B4 (de) Halbleitereinheit und halbleitermodul

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240305

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG