DE102011075921A1 - Leistungshalbleitermodul und Leistungshalbleitermodulsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule. Ein Leistungshalbleitermodul (100) weist ein elektrisch leitendes Anschlusselement (11a) auf, sowie einen Aufnahmebereich (80), ein Klemmelement (81), das von einer ersten Position in eine zweite Position gebracht werden kann. Sofern sich das Klemmelement (81) in der ersten Position befindet, kann ein Anschlussbereich (201) eines modulexternen Anschlussleiters (200) in den Aufnahmebereich (80) eingeführt und unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Anschlussbereich (201) und dem Anschlusselement (11a) mit dem Leistungshalbleitermodul (100) verklemmt werden. Hierzu wird das Klemmelement (81) von der ersten Position in die zweite Position gebracht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule. Leistungshalbleitermodule, die mit hohen Strömen versorgt werden und/oder die hohe Ausgangsströme bereitstellen, werden üblicherweise mit Hilfe niederohmiger Anschlussleiter an eine Spannungsversorgung oder eine Last angeschlossen. Hierzu werden die Anschlussleiter mit entsprechenden Anschlusselementen des Leistungshalbleitermoduls verschraubt.
  • Die Verschraubung wird häufig dadurch realisiert, dass ein von der Modulaußenseite zugängliches Ende des Anschlusselements parallel zur Gehäusewand geführt und in diesem Bereich mit einer Bohrung versehen ist. Diese Bohrung ist unterhalb des Anschlusselements mit einer Schraubenmutter hinterlegt, die in eine Vertiefung des Gehäuses eingesetzt ist. Die entsprechenden Anschlüsse des Anschlussleiters sind ebenfalls durchbohrt und werden mittels einer Schraube mit dem Anschlusselement des Moduls verschraubt, indem die Schraube in die Schraubenmutter eingedreht wird. Zur Montage muss also zunächst eine Schraubenmutter in eine Vertiefung am Gehäuse eingesetzt und das mit der Bohrung versehene Ende des Anschlusselements über die eingesetzte Schraubenmutter hinweg gebogen werden. Dann muss die Bohrung des Anschlussleiters passgenau über der Bohrung des Anschlusselements positioniert, eine Schraube durch die beiden Bohrungen hindurchgeführt und mit der Schraubenmutter verschraubt werden. Eventuell kann es auch noch erforderlich sein, eine Unterlegscheibe anzubringen, um die Kraft von der Schraube gleichmäßig auf den Anschlussleiter zu übertragen. Aufgrund der vielen Bearbeitungsschritte ist die Montage des Anschlussleiters an dem Leistungshalbleitermodul sehr aufwendig und damit kostenintensiv.
  • Außerdem besteht im Bereich der Verschraubung nur eine kleine Kontaktzone zwischen dem Anschlussleiter und dem Anschlusselement, weshalb die Verschraubungsstelle den Strom über das Anschlusselement und den Anschlussleiter begrenzt. Dasselbe gilt entsprechend auch für die Wärmeleitung, da die in einem Leistungshalbleitermodul anfallende Betriebswärme bis zu einem gewissen Grad auch über dessen Anschlusselemente und die daran angeschlossenen Anschlussleiter abgeführt wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Leistungshalbleitermodul sowie ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem verbesserten Leistungshalbleitermodul bereitzustellen. Diese Aufgabe wir durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Leistungshalbleitermodulsystem gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Leistungshalbleiterchip auf, ein elektrisch leitendes Anschlusselement, einen Aufnahmebereich, sowie ein Klemmelement, das von einer ersten Position in eine zweite Position gebracht werden kann. Wenn sich das Klemmelement in seiner ersten Position befindet, kann ein Anschlussbereich eines modulexternen Anschlussleiters in den Aufnahmebereich eingeführt werden. Wenn dann das Klemmelement von einer seiner ersten Position in die zweite Position gebracht wird, wird der Anschlussbereich unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Anschlussbereich und dem Anschlusselement mit dem Leistungshalbleitermodul verklemmt. Aufgrund dieser Klemmtechnik kann auf eine Durchbohrung des Anschlussleiters und des Anschlussbereichs verzichtet werden, so dass auch die Bereiche, die bei herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen und modulexternen Anschlussleitern mit einer Bohrung versehen sind, zu elektrischen und thermischen Kontaktierung zwischen dem Anschlusselement und dem Anschlussbereich zur Verfügung stehen.
  • Vorsorglich wird darauf hingewiesen, dass der Anschlussleiter mit seinem Aufnahmebereich keinen Bestandteil des Leistungshalbleitermoduls darstellt. Ein solches Leistungshalbleitermodul bildet zusammen mit einem modulexternen Anschlussleiter ein Leistungshalbleitermodulsystem.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sofern nicht anders erwähnt, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente mit gleicher oder ähnlicher Funktion. Es zeigt
  • 1A einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer massiven Bodenplatte.
  • 1B einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Leistungshalbleitermoduls, dessen Bodenplatte durch ein metallisiertes keramisches Trägersubstrat gebildet ist.
  • 2 eine perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Klemmvorrichtung zum Anschluss eines modulexternen Anschlussleiters.
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines modulexternen Anschlussleiters, der für den elektrischen Anschluss eines Leistungshalbleitermoduls verwendet werden kann.
  • 4 den Abschnitt des Leistungshalbleitermoduls gemäß 2 mit angeschlossenem modulexternen Anschlussleiter gemäß 3.
  • 5 eine perspektivische Ansicht des fest mit dem Leistungshalbleitermodul verklemmten modulexternen Anschlussleiters.
  • 6 einen Vertikalschnitt durch eine Klemmvorrichtung eines Leistungshalbleitermoduls, in die ein Anschlussbereich eines modulexternen Anschlussleiters eingesetzt ist, vor dem Verklemmen.
  • 7 die Anordnung gemäß 6 während des Verklemmens.
  • 8 die Anordnung gemäß den 6 und 7 nach dem Verklemmen.
  • 9 eine Anordnung entsprechend 6 mit dem Unterschied, dass die Klemmvorrichtung selbsthemmend ist.
  • 10 die Anordnung gemäß 9 während des Verklemmens.
  • 11 die Anordnung gemäß 9 und 10 nach dem Verklemmen.
  • 12 eine perspektivische Ansicht einer Klemmbacke, wie sie bei den Klemmvorrichtungen eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
  • 13 die Klemmbacke gemäß 12, in die ein Klemmkeil, ein Gegenkeil sowie ein Anschlusselement eingesetzt sind.
  • Anhand der 1A und 1B werden zunächst beispielhaft zwei Grundtypen von Leistungshalbleitermodulen 100 erläutert. Der innere Aufbau der Leistungshalbleitermodule 100 kann jedoch davon abweichend gewählt und an eine mit dem Leistungshalbleitermodul 100 zu realisierende Schaltung angepasst werden.
  • 1A zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Leistungshalbleitermodul 100. Das Leistungshalbleitermodul 100 umfasst mindestens einen Leistungshalbleiterchip 6, von denen jeder auf einem Schaltungsträger 5 angeordnet ist. Dabei können auf einem Schaltungsträger 5 ein oder mehrere Leistungshalbleiterchips 6 verbaut sein. Bei einem Leistungshalbleiterchip kann es sich beispielsweise um einen steuerbaren Leistungshalbleiterschalter wie z. B. einen MOSFET, einen IGBT, einen J-FET oder einen Thyristor handeln, oder um eine Diode. Grundsätzlich weist das Leistungshalbleitermodul 100 zumindest einen solchen Leistungshalbleiterchip 6 auf.
  • Der Schaltungsträger 5 umfasst einen Isolationsträger 50, der mit einer oberen Metallisierung 51 und mit einer unteren Metallisierung 52 versehen ist. Bei dem Isolationsträger 50 kann es sich beispielsweise um eine Keramik wie z.B. Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) handeln. Die obere Metallisierung 51 und die untere Metallisierung 52 bestehen aus elektrisch gut leitendem Material wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle. Bei einem Schaltungsträger 5 kann es sich z. B. um ein DCB-Substrat (DCB = direct copper bonding) ein DAB-Substrat (DAB = direct aluminium bonding) oder um ein AMB-Substrat (AMB = activ metal brazing) handeln. Ein Leistungshalbleitermodul 100 kann kein, genau ein oder aber mehrere solcher Schaltungsträger 5 umfassen.
  • Um die Leistungshalbleiterchips 6 auf einem Schaltungsträger 5 zu befestigen und elektrisch leitend mit dessen oberer Metallisierung 51 zu verbinden, ist eine erste Verbindungsschicht 71 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine Lotschicht, insbesondere um eine Diffusionslotschicht, eine Klebeschicht mit einem elektrisch leitenden Kleber oder um eine gesinterte Verbindungsschicht mit Silber handeln kann. Auf ihren dem betreffenden Schaltungsträger 5 abgewandten Oberseiten können die Leistungshalbleiterchips 6 mittels beliebiger Anschlusstechniken elektrisch leitend kontaktiert und mit anderen Komponenten der Leistungshalbleitermodule 100 elektrisch leitend verbunden werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1A werden hierzu Bonddrähte 7 eingesetzt, die an die den Schaltungsträgern 5 abgewandten Oberseiten der Leistungshalbleiterchips 6 sowie an Abschnitte der oberen Metallisierung 51 des betreffenden Schaltungsträgers 5 gebondet sind. Anstelle oder ergänzend zu Bonddrähten können auch aufgelötete oder gebondete Metallbänder oder Bleche eingesetzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, elektrisch leitende Verbindungen durch Druckkontaktierung mit den Oberseiten der Leistungshalbleiterchips und/oder mit Abschnitten der oberen Metallisierung 51 herzustellen.
  • Wie dem Beispiel gemäß 1A außerdem zu entnehmen ist, können zur internen Verschaltung des Leistungshalbleitermoduls 100 optionale Verschienungen 11 vorgesehen sein, die mit bestimmten der Leistungshalbleiterchips 6 elektrisch leitend verbunden sein können. Diese Verschienungen 11 weisen Anschlussbereiche 11a auf, welche zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls 100 dienen. Hierzu sind die Anschlussbereiche von der Außenseite eines Gehäuses 3, welches einen Rahmen sowie einen Deckel umfasst, zugänglich.
  • Oberhalb der mit den Leistungshalbleiterchips 6 bestückten Schaltungsträger 5 kann optional eine Leiterplatte 10 angeordnet werden, die zumindest für einen der nachfolgend erläuterten Zwecke eingesetzt werden kann. Ein möglicher Verwendungszweck besteht darin, Steuerleitungen und/oder Signalleitungen, d. h. Leitungen, über die im Vergleich zu den mit dem Leistungshalbleitermodul 100 geschalteten Lastströmen vergleichsweise geringe Ströme fließen, von den Schaltungsträgern 5 abgegriffen und über die Leiterplatte 10 umverdrahtet und mit Hilfe von weiteren Anschlusselementen 10a zur Außenseite des Leistungshalbleitermoduls 100 geführt werden. Optional können auf der Leiterplatte 10 weitere elektronische Bauelement wie beispielsweise eine Ansteuer- und/oder Überwachungselektronik zum Ansteuern bzw. Überwachen der Leistungshalbleiterchips 6 vorgesehen sein. Über entsprechende Anschlusselemente 10a können dem Leistungshalbleitermodul 100 auch externe Signale, beispielsweise zur Ansteuerung der steuerbaren Leistungshalbleiterchips 6, zugeführt werden.
  • Um beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 100 die elektrische Isolation im Inneren des Leistungshalbleitermoduls 100 sicherzustellen und elektrische Überschläge zwischen Elementen stark unterschiedlichen elektrischen Potentials zu vermeiden, kann der Modulinnenraum ganz oder teilweise mit einer Weichvergussmasse 12, beispielsweise einem Silikongel, vergossen werden. Die Weichvergussmasse 12 erstreckt sich dabei zumindest von der Bodenplatte 2 bis über sämtliche Leistungshalbleiterchips 6. Oberhalb der Weichvergussmasse 12 kann außerdem eine optionale Hartvergussmasse 13, beispielsweise ein Gießharz, vorgesehen sein, das unter Anderem die Leiterplatte 10 und/oder die Verschienung stabilisiert.
  • Bei dem vorliegenden Leistungshalbleitermodul 100 handelt es sich um ein Leistungshalbleitermodul mit einer massiven Bodenplatte 2, auf der die mit den Leistungshalbleiterchips 6 bestückten Schaltungsträger 5 angeordnet sind. Eine derartige massive Bodenplatte 2 kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von 2 mm bis 5 mm aufweisen. Als Materialien für die Bodenplatte 2 einen sich z.B. gut Wärme leitende Metalle wie Kupfer oder Kupferlegierungen, oder Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Ebenso können Metall-Matrix-Komposite (MMC) wie zum Beispiel Aluminium-Silizium-Karbid (AlSiC) verwendet werden.
  • Die bestückten Schaltungsträger 5 können an ihren unteren Metallisierungen 52 mittels zweiter Verbindungsschichten 72 mit der Bodenplatte 2 verbunden sein. Bei den zweiten Verbindungsschichten 72 kann es sich beispielsweise um Lotschichten, insbesondere um Diffusionslotschichten, um Klebeschichten oder um Sinterschichten mit Silber handeln. Die Bodenplatte 2 dient dazu, die in den Leistungshalbleiterchip 6 anfallende Betriebswärme über eine Wärmeableitkontaktfläche 2a zu einem mit dieser Wärmeableitkontaktfläche kontaktierbaren Kühlkörper (nicht gezeigt) abzuführen. Hierzu erfolgt ein Wärmefluss ausgehend von den Leistungshalbleiterchips 6 über die betreffenden ersten Verbindungsschichten 71, den betreffenden Schaltungsträger 5, die betreffende zweite Verbindungsschicht 72, und die Bodenplatte 2. Um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand der Bodenplatte 2 zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn diese aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung mit mindestens 90 Gew% Kupferanteil besteht. Die Bodenplatte 2 kann aber auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die optional eine Beschichtung aufweisen kann, beispielsweise um die Lötbarkeit zu verbessern, wenn die den Schaltungsträgern 5 zugewandte Oberseite 2b der Bodenplatte mit der unteren Metallisierung 52 der Schaltungsträger 5 verlötet oder versintert werden soll. Im Fall einer Lötverbindung eignet sich beispielsweise eine Nickelbeschichtung, für eine Sinterverbindung eine Beschichtung aus Edelmetall, beispielsweise Silber oder Gold. Die Dicke der Bodenplatte 2 kann beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 5 mm liegen. Die Dicken der Isolationsträger 50 können z. B. 0,25 mm bis 1 mm betragen, die Dicke der oberen Metallisierung 51 z. B. 0,2 mm bis 0,5 mm, die Dicke der unteren Metallisierung 52 z. B. 0,2 mm bis 0,5 mm. Die genannten Werte können dabei unabhängig voneinander gewählt und auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
  • 1B zeigt einen Vertikalschnitt durch ein so genanntes "bodenplattenloses" Leistungshalbleitermodul 100. Dessen Aufbau entspricht grundsätzlich dem anhand von 1A erläuterten Modul 100. Es unterscheidet sich von diesem lediglich dadurch, dass keine massive metallische Bodenplatte 2 vorgesehen ist, sondern ein Schaltungsträger 5, dessen Aufbau dem Aufbau der anhand von 1A erläuterten Schaltungsträger 5 entsprechen kann, und der die Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls 100 darstellt. Insbesondere bildet die den Leistungshalbleiterchips 6 abgewandte Unterseite 5a der unteren Metallisierung 52 des Schaltungsträgers 5 die Wärmeableitkontaktfläche 5a des Leistungshalbleitermoduls 100, welche mit einem Kühlkörper (nicht dargestellt) kontaktiert werden kann.
  • Sowohl bei dem Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 1A als auch bei dem Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 1B kann die Ankopplung eines Kühlkörpers an die Wärmeableitkontaktfläche 2a bzw. 5a mittels einer Wärmeleitpaste erfolgen, die zwischen den Kühlkörper und die betreffende Wärmeableitkontaktfläche 2a bzw. 5a flächig eingebracht wird.
  • Um ein Leistungshalbleitermodul 100, wie es anhand der 1A und 1B beispielhaft erläutert wurde, elektrisch leitend an eine Versorgungsspannung oder an eine Last anzuschließen, kann ein Anschlusselement 11a des Leistungshalbleiternmoduls 100 mit einer Klemmvorrichtung 8 versehen sein, wie sie in 1A vergrößert dargestellt ist. Mögliche Ausgestaltungen einer solchen Klemmvorrichtung 8 werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 2 zeigt einen vergrößerten Abschnitt eines Gehäusedeckels 3 eines Leistungshalbleitermoduls, in den eine Klemmvorrichtung 8 eingesetzt ist. Die Klemmvorrichtung 8 umfasst ein Klemmelement 81, das beispielhaft als Klemmkeil ausgebildet ist, einen optionalen Gegenkeil 82, eine optionale Schraube 83, sowie eine ebenfalls optionale Klemmbacke 84. Ein von der Modulinnenseite ausgehendes Anschlusselement 11a, welches beispielsweise elektrisch leitend mit einem Leistungshalbleiterchip 6 verbunden sein kann, erstreckt sich mindestens bis auf Höhe des Klemmkeils 81. Zwischen dem Anschlusselement 11a und der Klemmbacke 84 verbleibt ein Aufnahmebereich 80, in den ein Anschlussbereich 201 eines in 3 gezeigten modulexternen Schlussleiters 200 eingesetzt und nachfolgend unter Ausbildung eines elektrisch leitenden Kontakts mit dem Anschlusselement 11a verklemmt werden kann. 4 zeigt den in 2 dargestellten Abschnitt des Leistungshalbleitermoduls 100 nach dessen Verbindung mit dem in 3 dargestellten externen Anschlussleiter 200 in Schnittansicht, 4 in perspektivischer Draufsicht.
  • Der Anschlussleiter 200 gemäß 3 weist einen flachen Anschlussbereich 201 auf, welcher nicht mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, wie dies bei herkömmlichen Anschlussleitern der Fall ist. Hierdurch steht die gesamte Fläche des Anschlussbereichs 201 zur elektrischen Kontaktierung mit dem Anschlusselement 11a zur Verfügung. Entsprechend muss auch der Anschlusselement 11a an seinem zur Kontaktierung mit dem Anschlussbereich 201 verwendeten Ende keine Durchgangsöffnung aufweisen. Hierdurch kann sowohl der elektrische als auch der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Anschlussbereich 201 und dem Anschlusselement 11a gegenüber herkömmlichen Anordnungen signifikant verringert werden.
  • Wie anhand von 3 zu erkennen ist, kann ein Anschlussbereich 201 eines modulexternen Anschlussleiters 200 dadurch erzeugt werden, dass in einem im Wesentlichen ebenen Abschnitt 202 eines Blechs der spätere Anschlussbereich 201 gegenüber dem ebenen Bereich um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise 90°, umgebogen wird, so dass eine von dem ebenen Abschnitt 202 abstehende Anschlussfahne entsteht, die den Anschlussbereich 201 bildet. Hierzu kann der spätere Anschlussbereich 201 vor dem Umbiegen von dem übrigen ebenen Abschnitt 202 abgetrennt werden, was beispielsweise durch Stanzen, durch Laserschneiden oder durch Wasserstrahlschneiden erfolgen kann. Bei dem gezeigten Beispiel wurde der Anschlussbereich 201 im Innenbereich des Blechs 200 von dem ebenen Abschnitt 202 abgetrennt. Davon abweichend könnte sich der Anschlussbereich 201 jedoch auch an einem Ende des Anschlussleiters 200 befinden, so dass der Anschlussleiter 220 keine Öffnung aufweist, welche der Anschlussbereich 201 nach dem Umbiegen hinterlässt.
  • 6 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Klemmvorrichtung 8, mit deren Hilfe ein Anschlusselement 11a eines Leistungshalbleitermoduls 100 und ein Anschlussbereich 201 eines modulexternen Anschlussleiters 200 unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung miteinander verklemmt werden. 6 zeigt die Anordnung vor dem Verklemmen. Das als Klemmkeil ausgebildete Klemmelement 81 weist eine Durchführung 81a auf, durch die eine mit einem Gewinde 83a versehene Schraube 83 hindurchgeführt werden kann. Der Gegenkeil 82 umfasst ein Innengewinde 82d sowie eine optionale Durchführung 82a. Das Gewinde 83a der Schraube 83 ist auf das Innengewinde 82d abgestimmt und kann in dieses eingeschraubt werden, wenn die Schraube 83 durch den Durchgangsbereich 81a hindurchgeführt wird.
  • In 6 befindet sich das Klemmelement 81 in einer ersten Position, d. h. in einer Position, die es ermöglicht, dass der Anschlussbereich 201 des Anschlussleiters 200 in den Aufnahmebereich 80 der Klemmvorrichtung 8 eingeführt wird. Wird dann die Schraube 83, optional unter Verwendung einer Unterlegscheibe 85, durch den Durchgangsbereich 81a hindurchgeführt und in das Innengewinde 82d eingeschraubt, so bewegt sich das Klemmelement 81, wie in 7 anhand zweier schwarzer Pfeile dargestellt, aufgrund der Geometrien des Klemmelements 81 und des Gegenkeils 82 in Richtung des Gegenkeils 82 sowie in Richtung des Anschlusselements 11a und des Anschlussbereichs 201, so dass, wie in im Ergebnis in 8 gezeigt ist, das Anschlusselement 11a und der Anschlussbereich 201 zwischen dem Klemmelement 81 und der Klemmbacke 84 unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung miteinander verklemmt werden. Nach dem Verklemmen befindet sich das Klemmelement 81 in einer zweiten Position. Um eine Verschiebung des Klemmelements 81 gegenüber dem Gegenkeil 82 zu ermöglichen, ist die Breite der Durchführung 81a größer gewählt als der Durchmesser des Schraubenschafts der Schraube 83.
  • Das Klemmelement 81 weist eine dem Gegenkeil 82 abgewandte erste Seitenfläche 81b auf, sowie eine dem Gegenkeil 82 zugewandte erste Gleitfläche 81c. Entsprechend weist der Gegenkeil 82 eine dem Klemmelement 81 abgewandte zweite Seitenfläche 82b auf, sowie eine dem Klemmelement 81 zugewandte zweite Gleitfläche 82c. Die erste Seitenfläche 81b und die erste Gleitfläche 81c können einen ersten Winkel φ1 einschließen. Hierbei können die erste Seitenfläche 81b und/oder die erste Gleitfläche 81c als ebene oder im Wesentlichen ebene Flächen ausgebildet sein.
  • Entsprechend können die zweite Seitenfläche 82b und die zweite Gleitfläche 82c einen zweiten Winkel φ2 einschließen, der größer, kleiner oder gleich dem ersten Winkel φ1 sein kann. Auch die zweite Seitenfläche 82b und/oder die zweite Gleitfläche 82c können eben oder im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Der erste Winkel φ1 und/oder der zwei Winkel φ2 können grundsätzlich beliebig, beispielsweise im Bereich von 10° bis 40°, gewählt werden.
  • Um einen möglichst gleichmäßigen Kontakt zwischen dem Anschlusselement 11a und einem Anschlussbereich 201 zu erreichen, kann die erste Seitenfläche 81b des Klemmelements 81, welche dem Anschlusselement 11a zugewandt ist, dann parallel oder im wesentlichen parallel zu einer Seitenfläche 84b der Klemmbacke 84 verlaufen, wenn die erste Gleitfläche 81c und die zweite Gleitfläche 82c aneinander anliegen, wobei die Seitenfläche 84b so gewählt ist, dass das Anschlusselement 11a zwischen ihr und dem Klemmelement 81 angeordnet ist.
  • Bei dem Beispiel gemäß den 6 bis 8 ist das Anschlusselement 11a zwischen dem Aufnahmebereich 80 bzw. dem Anschlussbereich 201 einerseits und dem Klemmelement 81 andererseits angeordnet. Alternativ könnte sich jedoch auch der Aufnahmebereich 80 bzw. der Anschlussbereich 201 zwischen dem Anschlusselement 11a und dem Klemmelement 81 befinden.
  • Eine weitere Ausgestaltung einer Klemmvorrichtung 8 zeigen die 9 bis 11. Diese Klemmvorrichtung 8 unterscheidet sich von der anhand der 8 bis 10 erläuterten Klemmvorrichtung 8 dadurch, dass sie selbstklemmend ist, d. h. sie weist keine Befestigungsschraube auf, mit der das Klemmelement 81 in seiner zweiten Position gesichert wird. Vielmehr erfolgt die Halterung des Klemmelements 81 ausschließlich mit Hilfe der Haftreibung des Klemmelements 81. Zur Erzielung der Klemmwirkung wird das Klemmelement 81 lediglich in Richtung des Gegenstücks 82 geschoben, bis die gewünschte Klemmwirkung erreicht ist. Um den selbstklemmenden Effekt zu erzielen, ist der Winkel φ1 sehr klein gewählt, er kann beispielsweise größer als 0° und kleiner oder gleich 6° gewählt werden. 9 zeigt das Klemmelement 81 in seiner ersten, 11 in seiner zweiten Position.
  • 12 zeigt eine Klemmbacke 84, wie sie beispielsweise bei den vorangehend erläuterten Klemmvorrichtungen 8 eingesetzt werden kann. Da über die Klemmbacke 84 im Wesentlichen kein Strom fließt, kann sie aus einem Material gefertigt sein, das hinsichtlich seiner mechanischen Festigkeit und nicht hinsichtlich seines elektrischen Widerstands optimiert ist, d. h. die Klemmbacke 84 kann aus einem Material gefertigt sein, welches eine große Vickershärte von beispielsweise mehr als 200 HV besitzt. Das Material der Klemmbacke 84 kann somit eine Härte besitzen, welche größer ist als die Härte des Anschlusselements 11a und, sofern diese bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 100 bekannt ist, auch größer als die Härte des Anschlussbereichs 201. Als Materialien für ein Anschlusselement 11a und/oder für einen Anschlussbereich 201 eignen sich beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
  • Wie in 12 ebenfalls gezeigt ist, kann eine Klemmbacke 84 als Ring ausgebildet sein. Die Klemmbacke kann beispielsweise aus einem Blech ausgestanzt und zu einem Ring gebogen werden. Um ein Aufbiegen des Rings während des Verklemmens des Anschlusselements 11a mit einem Anschlussbereich 201a zu verhindern, kann ein Ende 84a der Klemmbacke 84 mit dem anderen Ende 84b der Klemmbacke 84 verhakt werden.
  • 13 zeigt die Klemmbacke 84 gemäß 12 nach dem Einsetzen eines Klemmelements 81, eines Gegenkeils 82, einer Schraube 83 sowie eines Anschlusselements 11a. Bei einer Klemmvorrichtung 8 entsprechend den 6 bis 8 und 13 kann die Schraube 83, gegebenenfalls in Verbindung mit der Unterlegscheibe 85, durch die Durchführung 81a des Klemmelements 81 hindurchgeführt und teilweise in das Innengewinde 82 des Gegenteils 82 eingeschraubt werden, so dass diese Elemente unverlierbar miteinander verbunden sind und als eine Einheit in die Klemmbacke 84 oder aber unabhängig von der Klemmbacke 84 in einen entsprechenden Aufnahmebereich des Modulgehäuses 3 eingesetzt werden können. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass das Anschlusselement 11a an der richtigen Stelle zwischen dem Klemmelement 81 und der Klemmbacke 84 eingeführt wird. Um die Unverlierbarkeit sicherzustellen, muss ein Klemmelement 81, wie es in den 6 bis 8 gezeigt ist, entweder als geschlossener Ring ausgebildet sein, der die Durchführung 81a umschließt, oder aber als offener Ring mit einen Spalt, dessen Breite kleiner ist als der Durchmesser des Schaftes der Schraube 83.
  • Danach kann ein modulexterner Anschlussleiter 200 mit seinem Anschlussbereich 201 in den Aufnahmebereich 80 eingeführt und wie anhand der 6 bis 8 erläutert elektrisch leitend mit dem Anschlusselement 11a kontaktiert werden.
  • Bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen waren die Klemmbacke 84 und der Gegenkeil 82 als separate Elemente ausgebildet. Alternativ dazu können der Gegenkeil 82 und die Klemmbacke 84 jedoch auch einstückig ausgebildet oder, beispielsweise durch Verschrauben, Verlöten oder Verschweißen, fest miteinander verbunden sein. Sofern das Gehäuse 3 des Leistungshalbleitermodul 100 eine ausreichende Stabilität aufweist, kann außerdem auf eine separate Klemmbacke auch verzichtet werden. In diesem Fall übernimmt das Modulgehäuse 3 die Funktion einer Klemmbacke.
  • Falls eine Klemmbacke 84 vorgesehen ist, kann diese in eine vorbereitete Aussparung oder Vertiefung am Gehäuse 3 eingesetzt werden. Alternativ dazu kann eine Klemmbacke auch bei der Herstellung des Gehäuses 3 in dieses eingespritzt oder eingegossen werden. Das Klemmelement 81 und/oder ein Gegenkeil 82 können nachträglich in das mit der Klemmbacke 84 vorbestückte Gehäuse 3 eingesetzt werden, oder aber als zusammengesetzte Einheit, welche neben dem Klemmelement 81 und dem Gegenkeil 82 auch die Klemmbacke 84 sowie optional eine Verbindungsschraube 83 umfasst. Falls eine Verbindungsschraube 83 vorgesehen ist, können das Klemmelement 81 und der Gegenkeil 82 auch mit dieser Verbindungsschraube 83 auch vor dem Einsetzen der Einheit in die Vertiefung oder Aussparung verlierbar oder unverlierbar miteinander verschraubt werden.

Claims (17)

  1. Leistungshalbleitermodul mit einem elektrisch leitenden Anschlusselement (11a), einem Aufnahmebereich (80), sowie mit einem Klemmelement (81), das von einer ersten Position in eine zweite Position gebracht werden kann, wobei ein Anschlussbereich (201) eines modulexternen Anschlussleiters (200) in den Aufnahmebereich (80) einführbar ist, wenn sich das Klemmelement (81) in der ersten Position befindet; ein Anschlussbereich (201) eines modulexternen Anschlussleiters (200), sofern ein solcher Anschlussbereich (201) in den Aufnahmebereich (80) eingeführt ist, unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Anschlussbereich (201) und dem Anschlusselement (11a) mit dem Leistungshalbleitermodul (100) verklemmbar ist, indem das Klemmelement (81) von der ersten Position in die zweite Position gebracht wird.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem das Klemmelement (81) als Klemmkeil ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, mit einem Gegenkeil (82), wobei der Klemmkeil (81) eine dem Gegenkeil (82) abgewandte erste Seitenfläche (81b) aufweist, sowie eine dem Gegenkeil (82) zugewandte erste Gleitfläche (81c); der Gegenkeil (82) eine dem Klemmkeil (81) abgewandte zweite Seitenfläche (82b) aufweist, sowie eine dem Klemmkeil (81) zugewandte zweite Gleitfläche (82c).
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei dem die erste Seitenfläche (81b) und die erste Gleitfläche (81c) einen ersten Winkel (φ1) im Bereich von 0° bis 6° oder im Bereich von 10° bis 40° einschließen.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei dem die zweite Seitenfläche (82b) und die zweite Gleitfläche (82c) einen zweiten Winkel (φ2) einschließen, der gleich dem ersten Winkel (φ1) ist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Klemmkeil (81) selbsthaltend ausgebildet ist und das mit Ausnahme der zweiten Gleitfläche (82c) kein Haltemittel aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Klemmkeil (81) in der zweiten Position zu halten.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Verschraubung (83), mittels der das Klemmelement (81) von der ersten Position in die zweite Position gebracht werden und dauerhaft in der zweiten Position gehalten werden kann.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Klemmbacke (84), wobei ein Anschlussbereich (201) eines modulexternen Anschlussleiters (200), sofern ein solcher Anschlussbereich (201) in den Aufnahmebereich (80) eingeführt ist, mittels des Klemmelements (81) gegen die Klemmbacke (84) gepresst wird, wenn sich das Klemmelement (81) in der zweiten Position befindet.
  9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8, bei dem die Klemmbacke (84) eine Vickershärte von mehr als 200 HV aufweist.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Klemmbacke (84) als gebogenes Blech ausgebildet ist.
  11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, bei dem die Klemmbacke (84) aus einem Blechstreifen gebildet ist, der zu einem Ring gebogen ist und dessen Enden ineinander verhakt sind.
  12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aufnahmebereich (80) auf zumindest einer Seite durch das Anschlusselement (11a) begrenzt wird, so dass das Anschlusselement (11a), wenn ein Anschlussbereich (201) eines modulexternen Anschlussleiters (200) in den Aufnahmebereich (80) eingeführt ist und sich das Klemmelement (81) in der zweiten Position befindet, den Anschlussbereich (201) unmittelbar kontaktiert.
  13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Träger (2, 5), auf dem zumindest ein Leistungshalbleiterchip (6) angeordnet ist, sowie mit einem Gehäuse (3), wobei der Träger (2, 5) auf seiner dem Leistungshalbleiterchip (6) abgewandten Seite eine Wärmeableitkontaktfläche (2a, 5a) aufweist; der Klemmelement (81) an der der Wärmeableitkontaktfläche (2a, 5a) abgewandten Seite des Gehäuses (3) angeordnet ist.
  14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13 mit einem Keramiksubstrat (5), das ein Keramikplättchen (50) mit einer oberen Metallisierungsschicht (51) und mit einer unteren Metallisierungsschicht (52) aufweist, wobei der Leistungshalbleiterchip (6) auf der oberen Metallisierungsschicht (51) angeordnet ist, wobei entweder die Wärmeableitkontaktfläche (2a, 5a) durch die dem Keramikplättchen (50) abgewandte Seite der unteren Metallisierungsschicht (5a) gegeben ist; oder die untere Metallisierung (52) flächig mit einer metallischen Bodenplatte (2) verbunden ist, deren dem Keramikplättchen (50) abgewandte Seite die Wärmeableitkontaktfläche (2a) bildet.
  15. Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Leistungshalbleitermodul (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; einem modulexternen Anschlussleiter (200), der einen Anschlussbereich (201) aufweist; wobei der Anschlussleiter (200) dadurch mit dem Leistungshalbleitermodul (100) verklemmt und dabei mit dem Anschlusskontakt (201) elektrisch leitend verbunden werden kann, dass der Anschlussbereich (201) in den Aufnahmebereich (80) eingeführt wird, wenn sich das Klemmelement (81) in der ersten Position befindet, und dass das Klemmelement (81) nachfolgend von der ersten Position in die zweite Position gebracht wird.
  16. Leistungshalbleitermodulsystem nach Anspruch 15, bei dem der modulexterne Anschlussleiter (200) aus einem Blechstreifen gebildet ist; der Anschlussbereich (201) durch einen umgebogenen Abschnitt des Anschlussleiters (200) gegeben ist.
  17. Leistungshalbleitermodulsystem nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Anschlussbereich (201) keine Durchgangsöffnung aufweist.
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