WO2018037047A1 - Leistungsmodul, verfahren zur herstellung und leistungselektronikschaltung - Google Patents

Abstract

Das Leistungsmodul ist mit mindestens einer Anordnung mindestens eines oder mehrerer Leistungsbauteile sowie mit einer ersten und einer zweiten Metalllage ausgebildet, wobei die Anordnung an einer ersten Seite mittels der ersten Metalllage elektrisch kontaktiert ist und an einer zweiten, der ersten abgewandten Seite, mittels der zweiten Metalllage elektrisch kontaktiert ist, wobei erste und zweite Metalllage je an jeweils einem Kühlkörper flächig thermisch angebunden sind.

Description

Beschreibung

Leistungsmodul, Verfahren zur Herstellung und Leistungselekt^¬ roniksehaltung

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls und eine Leistungs- elektronikschaltung . Es ist bekannt, Leistungshalbleiter auf ein DCB-Substrat auf^¬ zubringen und mit Hilfe von Bonddrähten elektrisch zu kontaktieren. Die Leistungshaltleiter werden beispielsweise auf eine Bodenplatte gelötet, nachfolgend in ein Gehäuse einge^¬ bracht und mit Silikon vergossen.

Leistungsmodule werden fortschreitend mit kleinerer Baugröße sowie mit höherem Integrationsgrad und größerem Funktionsum^¬ fang ausgelegt. Allerdings bleibt für die weitere Integration von elektrischen und elektronischen Komponenten nur wenig Platz. Ferner ist bei fortschreitender Miniaturisierung die

Entwärmung problematisch. Die maximale Leistung bei möglichst geringem Volumen ist folglich begrenzt.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein ver- bessertes Leistungsmodul zu schaffen, welches insbesondere mit verringerter Baugröße und kostengünstig herstellbar ist. Zweckmäßig soll das Leistungsmodul effizient betreibbar sein. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leis^¬ tungselektronikschaltung zu schaffen, welche insbesondere eine weitere Verringerung der Baugröße, eine höhere Effizienz im Betrieb sowie eine Verringerung der Herstellungskosten erlaubt .

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Leistungselektronikvorrichtung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist mindestens eine Anordnung mindestens eines oder mehrerer Leistungsbauteile und mindestens eine erste und eine zweite Metalllage sowie mindestens einen Kühlkörper auf. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul ist die Anordnung mit einer ersten Seite an die erste Metalllage elektrisch kontaktiert und mit einer zweiten, der ersten abgewandten, Seite an die zweite Metalllage elektrisch kontaktiert, wobei erste und zweite Metallla^¬ ge jeweils an den oder einen der Kühlkörper flächig thermisch angebunden sind.

Unter der Wendung „Anordnung mindestens eines oder mehrerer Leistungsbauteile" ist ein Leistungsbauteil oder eine Gesamt^¬ heit mehrerer Leistungsbauteile zu verstehen. Ist die Anord- nung elektrisch kontaktiert, so kann darunter zu verstehen sein, dass ein Leistungsbauteil der Gesamtheit kontaktiert ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sind dabei sämtliche Leistungsbauteile kontaktiert. Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Verknüpfung der zweiseitigen, sehr leistungsbauteilnahen elektrischen Anbin- dung mit einer effizienten Kühlung des zumindest einen Leistungsbauteils. Aufgrund der Metalllagen ist eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte planare Aufbau- und Ver- bindungstechnik (AVT) realisiert: So erlauben diese Metallla^¬ gen gleichzeitig eine effiziente Entwärmung, indem sie einer^¬ seits einen besonders guten thermischen Kontakt an den jeweils angebundenen Kühlkörper erlauben sowie ihrerseits bereits als wärmespreizendes Element wirken können. Durch die sehr leistungsbauteilnahe elektrische Anbindung wird ein ext^¬ rem niederinduktiver Aufbau ermöglicht. Durch den niederinduktiven Aufbau und die verbesserte Kühlung des zumindest ei^¬ nen Leistungsbauteils können die Eigenschaften des zumindest einen Leistungsbauteils weitaus besser ausgenutzt werden als bislang bekannt.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul lässt sich zugleich sehr kompakt realisieren.

Aufgrund der erfindungsgemäß möglichen effizienten Kühlung des Leistungsmoduls sind effiziente und zuverlässige Leis^¬ tungselektroniksysteme insbesondere für WBG-Anwendungen (WBG (engl.) = „Wide Bandgap") eröffnet.

Unter Metalllagen im Sinne der vorliegenden Anmeldung können zum einen Metallschichten, d.h. mit oder aus Metall gebildete Schichten, zu verstehen sein, welche mit üblichen Beschich- tungsverfahren realisiert sein können. Alternativ können unter dem Begriff „Metalllagen" auch mit oder aus Metall gebildete Flachteile zu verstehen sein, welche als separates Bau^¬ teil an das zumindest einen Leistungsbauteil angebunden sein können, etwa zur Anlage kommen können, insbesondere geklemmt oder gedrückt werden können.

Insbesondere kann das zumindest eine Leistungsbauteil mit ei^¬ nem Wide-Band-Gap-Halbleiter, insbesondere mit GaN, gebildet sein. Zweckmäßig handelt es sich bei dem zumindest einen Leistungsbauteil um eines oder mehrere der nachfolgend aufge^¬ zählten Elemente: IGBT, SiC-MOSFET. Erfindungsgemäß sind so^¬ mit Spannungsbereiche von 1,2 kV bis > 6,5 kV eröffnet.

Vorteilhaft lassen sich erfindungsgemäß Halbleiterbauteile effizient einsetzen, welche 1200 V sperren können. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es nicht erforderlich, solche Halbleiterbauteile nur bei 800 V zu betrieben, da die zum Be^¬ trieb mit höheren Spannungen zu erfüllenden Voraussetzungen wie eine hinreichend hohe Entwärmung und eine hinreichende Zuverlässigkeit sowie eine genügend geringe Induktivität er^¬ findungsgemäß erfüllt werden können. Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, Schaltvorgänge be- wusst zu verlangsamen, damit eine Schaltüberspannung abnimmt. Die erfindungsgemäße Lösung bedingt folglich geringere

Schaltverluste der Halbleiter und somit eine höhere Effizienz der Schaltung.

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumindest einen ersten und einen zweiten Kühlkörper auf, wobei die erste Metalllage an den ersten Kühlkörper flächig thermisch und die zweite Metalllage an den zweiten Kühlkörper flächig thermisch angebunden ist.

In dieser Weiterbildung der Erfindung sind zwei Kühlkörper vorhanden, welche etwa als Flachteile ausgebildet sein kön- nen, sodass ein besonders einfacher, kompakter und flacher Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls möglich ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist der oder einer der oder es sind die Kühl- körper mit einem Keramiksubstrat, vorzugsweise mit A1G, ge^¬ bildet. Keramiksubstrate sind für Kühlzwecke aufgrund der möglichen hohen Wärmeleitfähigkeit besonders geeignet. Insbe^¬ sondere Aluminiumgraphit ist zudem leicht bearbeitbar, sodass etwa Kühlkanäle und/oder Kühlrippen leicht mit diesem Materi- al gebildet werden können.

Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das zumindest eine Leistungsbauteil oder die Anordnung ein Flach^¬ teil, wobei das Leistungsbauteil oder die Anordnung an die erste und/oder die zweite Metalllage flächig elektrisch kontaktiert ist.

Vorzugsweise weist/weisen bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die erste und/oder zweite Metalllage eine Metall- schicht und/oder ein Metallflachteil, insbesondere ein Blech, auf. Zweckmäßig weist die Metalllage entlang des gesamten Ab- standes zwischen dem zumindest einen Leistungsbauteil und dem Kühlkörper zumindest eine solche Querschnittsfläche senkrecht zur Abstandsrichtung auf, welche zumindest ebenso groß ist wie - und vorzugsweise größer ist als - eine elektrische Kon^¬ taktfläche des Leistungsbauteils. Auf diese Weise kann mit^¬ tels der Metalllage eine effiziente Wärmespreizung erfolgen.

Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungs^¬ modul die erste und/oder zweite Metalllage mit oder aus Kup^¬ fer gebildet.

Vorteilhaft lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das zumindest eine Leistungsbauteil und ggf. weitere passive Bauteile senkrecht zu den flächigen Erstreckungen der Metalllagen oder senkrecht zu den flächigen Erstreckungen der Metalllagen versetzt anordnen. Somit sind Leistungs- und Lo^¬ gikteil im Verhältnis zu den Metalllagen vertikal zueinander oder vertikal zueinander versetzt anordbar und mit extrem kurzen elektrischen Verbindungswegen miteinander elektrisch verbindbar, sodass eine niederinduktive Anbindung leicht rea^¬ lisierbar ist.

Passive Bauelemente wie insbesondere Steuerelektronikelemente können direkt am Kühlkörper angebunden sein. Auf diese Weise können die passiven Bauelemente gleichzeitig mittels des oder der Kühlkörper gekühlt werden, sodass passive Bauelemente mit niedrigerer vorgesehener Betriebstemperatur einsetzbar sind. Insbesondere sind bekannte Bestückungsverfahren zur Anbindung der passiven Bauelemente an den oder die Kühlkörper einsetzbar . Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Anordnung des mindestens einen oder mehrerer Leistungs^¬ bauteile mittels des oder der Kühlkörper gekapselt. Auf diese Weise lässt sich ein hermetisch dichtes Leistungsmodul für unterschiedlichste Anwendungszwecke bereitstellen.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls sind der oder die Leistungshalbleiter und erste und/oder zweite Metalllage lot- und/oder sinterfrei, insbesondere form- oder kraftschlüssig, kontaktiert. Folglich lassen sich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten leicht über ein gewisses mechanisches Spiel bei der Kontak- tierung ausgleichen, sodass erfindungsgemäß eine flexiblere Materialwahl als bislang möglich ist.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Leistungsmodul boden^¬ plattenlos ausgebildet. Vorteilhaft ist erfindungsgemäß kein Silikonverguss erforder^¬ lich, sodass im Fehler- oder Explosionsfall keine Kontamina^¬ tion auftreten kann. Erfindungsgemäß ist zudem eine elektrische Isolierung durch neuartige, biologisch abbaubare Trans^¬ formatorenisolationsmedien, insbesondere durch Öle, möglich, etwa in hermetisch dichten Modulen. Folglich lässt sich eine sehr gute Temperaturverteilung und/oder Wärmespreizung erreichen. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das zumindest eine Leistungsbauteil mittels eines Underfills oder eines anderen Isoliermaterials verkapselt.

Bevorzugt ist eine externe elektrische Anbindung des erfin^¬ dungsgemäßen Leistungsmoduls mittels Durchkontaktierungen, welche durch den Kühlkörper hindurchgeführt sind, realisiert. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist eine elektrische Anbindung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls mittels äußerer Metallisierung (en) des Leistungsmoduls, ins^¬ besondere mittels - zweckmäßig strukturierter - Kupfermeta^¬ llisierung (en) , insbesondere des Kühlkörpers, verwirklicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls wie es zuvor beschrieben ist. Zunächst wird ein erster Leistungsmodulteil bereitge^¬ stellt, welcher einen Kühlkörper und eine an dem Kühlkörper flächig anliegende erste Metalllage und ein erstes Leistungs^¬ bauteil, welches an die erste Metalllage kontaktiert ist, aufweist. Ferner wird ein zweiter Leistungsmodulteil bereit^¬ gestellt, welcher einen Kühlkörper und eine an dem Kühlkörper flächig anliegende Metalllage aufweist. Nachfolgend werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erster Leistungsmodulteil und zweiter Leistungsmodulteil derart zusammengefügt, dass die jeweils vom Kühlkörper wegweisenden Seiten der Metalllage des ersten Leistungsmodulteils und derjenigen des zweiten

Leistungsmodulteils einander zugewandt sind. Vorzugsweise um^¬ geben erste und zweite Metalllage die Anordnung des zumindest einen Leistungshalbleiters zwischen sich. Vorteilhafterweise lässt sich das erfindungsgemäße Leistungs^¬ modul mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr kostengünstig, automatisiert und standardisiert herstellen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere ein geflippter Aufbau mit identisch oder nahezu identisch aufgebauten Leistungsmodulteilen prozesstechnisch einfach und somit kostengünstig möglich.

Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfah- ren erster und zweiter Leistungsmodulteil hermetisch gekap^¬ selt.

Bevorzugt sind erster und zweiter Leistungsmodulteil stoff- und/oder form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels einer oder mehrerer Steckverbindungen und/oder mittels einer oder mehrerer Federn und/oder mittels einer oder mehrerer Schnappverbindungen und/oder mittels einer oder mehrerer Klettverbindungen und/oder mittels einer oder mehrerer Lead- frames und/oder mittels Lötens und/oder Schweißens und/oder Klebens und/oder mittels einer oder mehrerer Bondverbindungen und/oder Metallvias, insbesondere Kupfervias, elektrisch und mechanisch zu einem Leistungsmodul verbunden. Insbesonde^¬ re nicht-stoffschlüssige, etwa form- oder kraftschlüssige, Verbindungen insbesondere der vorgenannten Aufzählung gewähr- leisten ein hinreichendes mechanisches Spiel, sodass unter^¬ schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten (CTE) für die unterschiedlichen Materialien und Bauelemente, welche im erfindungsgemäßen Leistungsmodul auftreten, insbesondere DCB, PCB, Lot, Ag-Sinterpaste, Isolationsmaterialien und/oder Bodenplatten, nicht zu nennenswerten mechanischen Spannungen führen können. Folglich lassen sich erfindungsgemäß Zuverlässigkeitsprobleme leicht ausschließen.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei dem zweiten Leistungsmodulteil, bevor erster und zweiter Leistungsmodulteil zusammengefügt werden, zumin^¬ dest ein weiteres Leistungsbauteil an die zweite Metalllage kontaktiert.

Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kühlkörper des ersten und/oder zweiten Leistungsmodulteils und/oder die Metalllage des ersten und/oder zweiten Leis- tungsmodulteils und/oder das zumindest eine Leistungsbauteil mittels einer oder mehrerer der nachfolgend aufgezählten Verbindungsarten zusammengefügt: Klemmen, Stecken, Schrauben, Schweißen, Sintern, Löten. Die erfindungsgemäße Leistungselektronikvorrichtung umfasst zumindest zwei erfindungsgemäße Leistungsmodule wie zuvor be^¬ schrieben. Aufgrund der leichten Anordbarkeit des erfindungs^¬ gemäßen Leistungsmoduls ist die erfindungsgemäße Leistungs^¬ elektronikvorrichtung leicht an zahlreiche Anwendungsfälle anpassbar.

Mittels der erfindungsgemäßen Leistungselektronikvorrichtung können insbesondere mehrere Leistungsmodule miteinander pa^¬ rallel verschaltet sein, sodass unterschiedliche Leistungs- klassen leicht realisierbar sind.

Vorteilhaft lässt sich die Leistungselektronikvorrichtung gemäß der Erfindung daher für unterschiedliche Leistungsberei^¬ che auslegen, etwa für den Computer- oder LED- oder Indust- rie- oder Windkraftbereich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge^¬ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen ersten Leistungsmodulteil und einen zweiten Leistungsmodulteil zur erfindungsgemäßen Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 das gem. Fig. 1 hergestellte erfindungsgemäße Leis^¬ tungsmodul schematisch im Querschnitt,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs^¬ gemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs^¬ gemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt sowie Fig. 5 eine erfindungsgemäße Leistungselektronikvorrich- tung mit zwei erfindungsgemäßen Leistungsmodulen gem. Fig. 4 schematisch im Querschnitt.

Ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul wird mit einem erfin^¬ dungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls hergestellt. Dazu werden beispielhaft ein erster Leistungsmo^¬ dulteil 10 und ein zweiter Leistungsmodulteil 20, wie in Fig. 1 dargestellt, herangezogen:

Der erste Leistungsmodulteil 10 weist ein Substrat 30, im ge- zeigten Ausführungsbeispiel ein Keramiksubstrat, hier A1G, auf. Das Substrat 30 kann in weiteren, nicht eigens darge^¬ stellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dargestellten entsprechen, ein sonstiges Substrat, beispielsweise ein organisches Substrat, sein. Das Substrat 30 bildet in an sich bekannter Weise ein Flachteil mit einer ersten Flachsei^¬ te 40 und einer zweiten, in Fig. 1 nach oben gewandten und sich parallel zur ersten Flachseite 40 erstreckenden, Flachseite 50. Das Substrat 30 ist als Kühlkörper ausgebildet: Dazu weist das Substrat 30 Kühlkanäle 60 auf, welche zur Führung einer Kühlflüssigkeit, hier Wasser, ausgelegt sind. Grundsätzlich können die Kühlkanäle 60 in weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen auch für die Führung eines anderen Kühlfluids, etwa eines Kühlgases, ausgelegt sein. Die Kühlka^¬ näle 60 verlaufen parallel zur ersten Flachseite 40 des Sub^¬ strats 30 und sind voneinander gleichabständig mit einem ge- ringerem Abstand beabstandet, als der Durchmesser der Kühlka^¬ näle 40 parallel zur Flachseite 40 misst.

Auf der in Fig. 1 nach oben gewandten Flachseite 50 des Substrats 30 sind zwei jeweils zusammenhängende, oberflächliche Kupfermetallisierungen 70, 80 aufgebracht. Die Kupfermetalli^¬ sierungen 70, 80 bilden jeweils eine oberflächliche und fla^¬ che Schicht aus, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke in Richtung senkrecht zur zweiten Flachseite 50 des Substrats von 100 Mikrometern aufweist (die Schichtdicke der Kupfermetallisierungen 70, 80 kann in weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen abweichen und etwa 30 Mikrometer oder aber 300 Mikrometer betragen) . Die Kupfermetallisierung 70 bildet einen Wechselspannungs-Lastanschluss und ist in der Darstellung gem. Fig. 1 links mit einem An- schlussblech 100 vom Substrat 30 fortgeführt. Auf der Kupfer^¬ metallisierung 70 sind mehrere Chips 110 in Gestalt von

Flachteilen mit zwei Flachseiten angeordnet, welche als Flip- Chips mit unterseitigen Kontaktflächen auf der Kupfermetallisierung 70 flächig zur Anlage und elektrisch in Kontakt kom- men. Zudem weisen die Chips 110 an ihren der Kupfermetalli^¬ sierung 70 fernen Flachseiten Kontaktflächen 120, 130 auf, mittels welchen die Chips 110 flächig elektrisch

kontaktierbar sind. Zusätzlich weisen sowohl die Kupfermetallisierung 70 als auch die Kupfermetallisierung 80 flächig erhabene Kontaktbereiche 140, 150 auf, welche leicht von den übrigen Bereichen der je^¬ weiligen Kupfermetallisierung 70, 80 in der Art von

Kontaktpads vorspringen.

Die Kupfermetallisierung 80 bildet eine positive Spannungs^¬ seite eines Gateanschlusses, welcher in der Darstellung gem. Fig. 1 rechts mit einer Anschlussklemme 160 vom Substrat 30 fort geführt ist.

Der Leistungsmodulteil 20 ist bis auf nachfolgend erläuterte Abweichungen identisch zum Leistungsmodulteil 10 aufgebaut:

So weist der Leistungsmodulteil 20 anstelle einer zusammen^¬ hängenden Kupfermetallisierung 70 eine zweiteilige Kupfermetallisierung auf, welche entlang derjenigen Erstreckungs- richtung 170, entlang welcher sich im Falle des Leistungsmoduls 10 das Anschlussblech 100 sowie die Anschlussklemme 160 vom Substrat 30 weg strecken, längs geteilt ist. Diese ge^¬ teilte Kupfermetallisierung zerfällt also in zwei Metallisie^¬ rungsteile 180, 190, von denen der erste Metallisierungsteil 180 einen positiven Gleichspannungslastanschluss bildet und der zweite Metallisierungsteil 190 einen negativen Gleich^¬ spannungslastanschluss. Erster Metallisierungsteil 180 und zweiter Metallisierungsteil 190 weisen jeweils ein Anschluss^¬ blech 200, 210 auf, welches sich jeweils in Erstreckungsrich- tung der Erstreckung 170 vom Substrat 30 fortstreckt. Die An^¬ schlussbleche 200, 210 strecken sich dabei im Gegensatz zum ersten Leistungsmodulteil 10 nicht links, sondern rechts vom Substrat 30 in Erstreckungsrichtung 170 fort. Anstelle der Kupfermetallisierung 80 weist der Leistungsmo^¬ dulteil 20 eine Kupfermetallisierung 80 ^λ auf. Die Kupfermeta^¬ llisierung 80 ^λ des zweiten Leistungsmodulteils 20 bildet an^¬ stelle der positiven Spannungsseite des Gateanschlusses des Leistungsmoduls eine negative Spannungsseite des

Gateanschlusses und trägt Kontaktbereiche 150 ^λ. In der Dar^¬ stellung gem. Fig. 1 ist von der Kupfermetallisierung 80 ^λ rechts eine Anschlussklemme 220 vom Substrat 30 fort geführt.

Anstelle der Chips 110 mit Kontaktflächen 120, 130 trägt der Leistungsmodulteil 20 an seinem Metallisierungsteil 180 Chips 110 ^λ mit Kontaktflächen 120 130 ^λ. Der Metallisie^¬ rungsteil 190 hingegen trägt Kontaktbereiche 140 ^λ. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul wird nun hergestellt, in^¬ dem erster Leistungsmodulteil 10 und zweiter Leistungsmodul^¬ teil 20 zusammengefügt werden. Dazu wird der erste Leistungs^¬ modulteil 10 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausrich- tung um 180 Grad um die Erstreckung 170 herum gedreht und nachfolgend mit dem zweiten Leistungsmodulteil 20 zusammenge^¬ fügt .

Dazu sind die Chips 110 mit ihren Kontaktflächen 120, 130 so- wie die Kontaktbereiche 140, 150 sowie die Chips 110 ^λ mit ih^¬ ren Kontaktflächen 120 130 ^λ sowie die Kontaktbereiche 140 ^λ und 150 ^λ derart angeordnet und positioniert, dass die Kon^¬ taktflächen 120 beim Zusammenfügen von erstem 10 und zweiten Leistungsmodulteil 20 mit den Kontaktbereichen 140 ^λ flächig zur Anlage kommen, die Kontaktflächen 130 mit den Kontaktbe^¬ reichen 150 ^λ flächig zur Anlage kommen, die Kontaktbereiche 140 mit den Kontaktflächen 120 ^λ flächig zur Anlage kommen sowie die Kontaktbereiche 150 mit den Kontaktflächen 130 ^λ flä^¬ chig zur Anlage kommen. Die miteinander flächig zur Anlage kommenden Kontaktflächen und Kontaktbereiche bilden folglich einen flächigen elektrischen Leitungspfad aus, sodass eine planare, niederinduktive elektrische Kontaktierung der Chips 110, 110^λ realisiert ist. Das erfindungsgemäß mit erstem Leistungsmodulteil 10 und zweiten Leistungsmodulteil 20 hergestellte Leistungsmodul 240 ist in Fig. 2 gezeigt. Das Leistungsmodul 240 enthält dabei in an sich bekannter Weise zusätzlich passive Bauelemente in Form eines DC-Links 250, von Filtern 260 sowie von Steuer- und Treiberelektronik 270 und Widerständen 280.

Die vorgenannten passiven Bauelemente sind dabei an die An^¬ schlussklemmen 160, 220 und Anschlussbleche 100, 200, 210 über strukturierte Metallisierungen 290 - im dargestellten Ausführungsbeispiel Kupfermetallisierungen - elektrisch angebunden. Die Metallisierungen 290 sind an äußeren Kanten der Substrate 30, welche den Chips 110 fern sind, aufgebracht. Erster Leistungsmodulteil 10 und zweiter Leistungsmodulteil 20 sind in dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels nicht eigens dargestellter Steckverbindungen zusammengesteckt .

Erster Leistungsmodulteil 10 und zweiter Leistungsmodulteil 20 können alternativ oder zusätzlich wie in Fig. 3 gezeigt mittels Schrauben 310, welche sich etwa durch eine senkrecht zur Flachseite 40 durch ersten 10 und zweiten Leistungsmodul- teil 20 verlaufende Durchführung hindurch strecken, miteinander verschraubt werden.

Alternativ oder wie in Fig. 3 gezeigt zusätzlich können erster 10 und zweiter Leistungsmodulteil 20 miteinander mittels einer oder mehrerer Klemmen 320 geklemmt werden. Dazu weisen die Klemmen 320 jeweils Klemmbacken 330, 340 auf, welche senkrecht zur ersten Flachseite 40 des Substrats 30 auf ers^¬ ten 10 und zweiten Leistungsmodulteil 20 von außen, d.h. fern der Chips 110, drücken.

Alternativ oder zusätzlich zu den in Fig. 2 dargestellten Metallisierungen 290 kann eine Kontaktierung der passiven Bauelemente auch mittels durch jeweils das Substrat 30 des ersten 10 und des zweiten Leistungsbauteils 20 hindurchfüh- rende Durchkontaktierungen 350 erfolgen. Die

Durchkontaktierungen enden in äußerlichen Kontaktarealen 360, welche sich flächig an der ersten Flachseite 40 des jeweili^¬ gen Substrats 30 entlang erstrecken. Die Durchkontaktierungen 350 können etwa in der Art von an sich bekannten (engl.) „Plugged Vias" vorliegen.

Anstelle der zuvor beschriebenen Klemmen 320 können in einem weiteren Ausführungsbeispiel Klemmbügel 370 vorhanden sein, welche wie in Fig. 4 gezeigt Klemmbacken in Gestalt von gebo- genen Bügelenden 380, 390 aufweisen, welche ersten 10 und zweiten Leistungsmodulteil 20 aufeinander zu drücken. Dabei können erster Leistungsmodulteil 10 und zweiter Leistungsmo^¬ dulteil 20 mit ihren randständigen Bereichen mit zwischenlie- genden Abstandshaltern 400 zusammengedrückt werden, welche zum einen die Chips 110 vor Druckbelastung schützen und zugleich eine hermetisch dichte Kapselung der Chips 110 garantieren, indem die Abstandshalter 400 und die Substrate 30 von ersten Leistungsmodulteil 10 und zweitem Leistungsmodulteil 20 als dichtes Gehäuse zusammenwirken.

Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind in Fig. 4 die passiven Bauelemente lediglich an einem Leistungsmodulteil 20 angebunden. Diese Anordnung erleichtert eine Verbindung mehrerer Leistungsmodule 240 miteinander:

In einem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind anstel^¬ le eines einzigen Leistungsmoduls 240 zwei Leistungsmodule 240 mittels Klemmbügeln 370 mit Abstandshaltern 410 zusammengeklemmt, welche eine einfache Anbindung an eine Kühlflüssig- keitsquelle gewährleisten.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen können ggf. auftreten- de Hohlräume zwischen dem ersten Leistungsmodulteil 10 und dem zweiten Leistungsmodulteil 20 mittels eines Underfillers 300 gefüllt sein.

Claims

Patentansprüche

1. Leistungsmodul mit mindestens einer Anordnung mindestens eines oder mehrerer Leistungsbauteile (110, 110 ^λ) und mit ei- ner ersten (70, 80) und einer zweiten Metalllage (180, 190, 80 ^λ) sowie mit mindestens einem Kühlkörper (30), bei welchem die Anordnung mit einer ersten Seite an die erste Metalllage (70, 80) elektrisch kontaktiert ist und mit einer zweiten, der ersten abgewandten Seite an die zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) elektrisch kontaktiert ist, wobei erste (70, 80) und zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) jeweils an den mindes^¬ tens einen oder einen der Kühlkörper (30) flächig thermisch angebunden sind.

2. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, welches zumindest einen ersten (30) und einen zweiten Kühlkörper (30) aufweist, wobei die erste Metalllage (70, 80) an den ersten Kühlkörper (30) flächig thermisch und die zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) an den zweiten Kühlkörper (30) flächig ther- misch angebunden ist.

3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zumindest eine oder einer der oder die Kühlkörper (30) mit einem Keramiksubstrat, vorzugsweise mit A1G, gebildet ist oder sind.

4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das zumindest eine Leistungsbauteil oder die An^¬ ordnung ein Flachteil ist, wobei das Leistungsbauteil (110, 110 ^λ) oder die Anordnung an die erste (70, 80) und/oder die zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) flächig elektrisch kontak^¬ tiert ist.

5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste (70, 80) und/oder zweite Metalllage

(180, 190, 80 ^λ) eine Metallschicht und/oder ein Metallflach^¬ teil, insbesondere ein Blech, aufweist.

6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste (70, 80) und/oder zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) mit Kupfer gebildet ist.

7. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Anordnung des mindestens einen oder der mehreren Leistungsbauteile (110, 110 ^λ) mittels des oder der Kühlkörper (30) gekapselt ist.

8. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der oder die Leistungshalbleiter (110, 110 ^λ) und erste (70, 80) und/oder zweite Metalllage (180, 190, 80 ^λ) lot- und/oder sinterfrei, insbesondere form- oder kraft^¬ schlüssig, miteinander kontaktiert sind.

9. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches bodenplattenlos ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls nach ei- nem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zunächst ein erster Leistungsmodulteil (10) bereitgestellt wird, welcher einen Kühlkörper (30) und eine an dem Kühlkörper (30) flächig anliegende erste Metalllage (70, 80) und ein erstes Leis^¬ tungsbauteil (110), welches an die erste Metalllage (70, 80) kontaktiert ist, aufweist sowie ein zweiter Leistungsmodul^¬ teil (20) bereitgestellt wird, welcher einen Kühlkörper (30), eine an dem Kühlkörper flächig anliegende Metalllage (180, 190, 80 ^λ) aufweist, und nachfolgend erster Leistungsmodulteil (10) und zweiter Leistungsmodulteil (20) derart zusammenge- fügt werden, dass die Metalllagen (70, 80, 180, 190, 80 ^λ) des ersten Leistungsmodulteils (10) und des zweiten Leistungsmo^¬ dulteils (20) mit ihren vom Kühlkörper (30) wegweisenden Seiten einander zugewandt sind.

11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem ein solcher zweiter Leistungsmodulteil (20) bereitgestellt wird, bei welchem ein weiteres Leistungsbauteil (110 ^λ) an die zweite Metalllage (180. 190, 80 ^λ) kontaktiert ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat (30) des ersten (10) und/oder zweiten Leistungsmodulteils (20) und/oder die Metalllage (70, 80, 180, 190, 80 ^λ) des ers^¬ ten (10) und/oder zweiten Leistungsmodulteils (20) und/oder das zumindest eine Leistungsbauteil (110) mittels einer oder mehrerer der nachfolgend aufgezählten Verbindungsarten zusammengelegt wird: Klemmen, Stecken, Schrauben, Schweißen, Sin- tern, Löten.

13. Leistungselektronikvorrichtung, welches zumindest zwei Leistungsmodule nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.