DE102013215645A1

DE102013215645A1 - Electrical module with substrate, semiconductor device and circuit board

Info

Publication number: DE102013215645A1
Application number: DE102013215645.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Neumeister; Sebastian Nielebock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Es wird ein elektrisches Modul angegeben mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein elektrisches Halbleiterbauelement und wenigstens zwei mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbundene erste Kontaktstellen angeordnet sind. Das Modul umfasst eine elektrische Leiterplatte mit wenigstens zwei zweiten Kontaktstellen und ferner eine elektrisch nichtleitende Trägerstruktur, die mit wenigstens zwei Verbindungsleitern versehen ist, die jeweils eine erste Kontaktstelle mit jeweils einer zweiten Kontaktstelle paarweise elektrisch verbinden.An electrical module is specified with a substrate on which at least one electrical semiconductor component and at least two first contact points electrically connected to the semiconductor component are arranged. The module comprises an electrical circuit board having at least two second contact points and also an electrically non-conductive support structure, which is provided with at least two connecting conductors, each electrically connecting in pairs a first contact point, each with a second contact point.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein elektrisches Halbleiterbauelement angeordnet ist. Das Modul umfasst weiterhin eine Leiterplatte, die mit dem Halbleiterbauelement auf dem Substrat elektrisch verbunden ist. The invention relates to an electrical module with a substrate, on which at least one electrical semiconductor component is arranged. The module further includes a circuit board electrically connected to the semiconductor device on the substrate.

Die Erfindung betrifft insbesondere derartige elektrische Module für Anwendungen der Leistungselektronik, in denen wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement enthalten ist. Solche leistungselektronischen Bauelemente werden nach dem Stand der Technik häufig auf keramische Substrate aufgebracht und über auf einem solchen Substrat vorhandene Kontaktstellen mit einer übergeordneten Leiterplatte kontaktiert. Für die Verbindung der elektrischen Halbleiterbauelemente mit einem Substrat existieren verschiedene Aufbautechnologien. Typischerweise wird ein keramisches Substrat, beispielsweise ein DCB-Substrat (Direkt-Kupfer-Verbindungs-Substrat) eingesetzt. Das DCB-Substrat ist dabei mit Kontaktstellen für die Kontaktierung des Bauelements auf dem Substrat und für die Kontaktierung des Substrats in einem übergeordneten Stromkreis ausgestattet, wobei die einzelnen Kontaktstellen durch Leiterbahnen verbunden sind. Das elektronische Bauelement kann nach herkömmlichen Methoden durch Verbindungsdrähte mit dem Substrat kontaktiert werden. Besonders vorteilhaft hat sich in letzter Zeit hierfür auch das sogenannte SiPLIT-Verfahren erwiesen, wobei SiPLIT für „Siemens planare Verbindungstechnologie“ steht. Wie in der WO 03030247 beschrieben, wird beim SiPLIT-Verfahren die Isolierung und Strukturierung von Kontaktleiterbahnen mittels des Auftragens einer laserstrukturierten Isolierfolie erreicht. Anschließend werden durch einen Strukturierungsprozess und elektrolytische Metallabscheidung die elektrischen Verbindungen erzeugt. The invention particularly relates to such electrical modules for applications of power electronics, in which at least one power electronic component is included. Such power electronic components are often applied to ceramic substrates according to the prior art and contacted via existing on such a substrate pads with a parent circuit board. For the connection of the electrical semiconductor components to a substrate, various construction technologies exist. Typically, a ceramic substrate, for example, a DCB substrate (direct copper interconnect substrate) is used. The DCB substrate is equipped with contact points for contacting the device on the substrate and for contacting the substrate in a higher-level circuit, wherein the individual contact points are connected by conductor tracks. The electronic component can be contacted by conventional methods by connecting wires to the substrate. Particularly advantageous for this purpose, the so-called SiPLIT method has been recently proved, where SiPLIT stands for "Siemens planar connection technology". Like in the WO 03030247 In the SiPLIT process, the isolation and structuring of contact conductor tracks is achieved by applying a laser-structured insulating film. Subsequently, the electrical connections are generated by a patterning process and electrolytic metal deposition.

Die beschriebenen Technologien ermöglichen die kostengünstige Herstellung von kompakten Aufbauten mit elektrischen Bauelementen auf Substraten, die eine niedrige Leitungsinduktivität von typischerweise weniger als 10 nH aufweisen. Solche Substrat-Aufbauten sind daher besonders für Anwendungen der Leistungselektronik geeignet, bei denen es auf niedrige Schaltzeiten für hohe Ströme ankommt. Ein weiterer Vorteil der SiPLIT-Technologie ist die Tatsache, dass im Gegensatz zu den Drahtverbindungen kein Verguss mit Silikon erforderlich ist, um Spannungsüberschläge bei den im Leistungsbereich eingesetzten Spannungen zu verhindern. Durch den Wegfall von zusätzlicher Vergussmasse oder anderer Einkapselungen können die bestückten Substrate insgesamt sehr flach ausgeführt werden. The described technologies enable the cost-effective production of compact structures with electrical components on substrates which have a low lead inductance of typically less than 10 nH. Such substrate structures are therefore particularly suitable for applications of power electronics, where it depends on low switching times for high currents. Another advantage of SiPLIT technology is the fact that, unlike wire connections, silicone encapsulation is not required to prevent flashovers at the voltages used in the power domain. By eliminating additional potting compound or other encapsulations, the assembled substrates can be made very flat overall.

Eine ähnliche planare Aufbau- und Verbindungstechnologie für Bauelemente auf Keramik-Substraten ist durch das von Semikron entwickelte sogenannte SKiN-Verfahren gegeben, wie in Power Electronics Europe, Issue 5, July/August 2011, S. 1–5 beschrieben. A similar planar build-up and interconnect technology for devices on ceramic substrates is provided by the so-called SKiN process developed by Semikron, as in Power Electronics Europe, Issue 5, July / August 2011, pp. 1-5 described.

Eine Schwierigkeit stellt nach dem bisherigen Stand der Technik die Herstellung einer niederinduktiven elektrischen Verbindung der die Bauelemente tragenden Substrate mit einer übergeordneten Leiterplatte dar. Die übergeordnete Leiterplatte kann beispielsweise weitere elektrische Komponenten zur Ansteuerung der leistungselektronischen Halbleiterbauelemente und zu ihrer Einbindung in einen äußeren Stromkreis umfassen. Bisher werden zur Verbindung der Substrate mit übergeordneten Leiterplatten meist Schraub-, Löt- oder Pressverbindungen eingesetzt, bei denen die Kontaktstellen von Substrat und Leiterplatte über Verbindungsdrähte in elektrischen Kontakt gebracht werden. Der Nachteil solcher Verbindungstechniken ist, dass die Leitungsinduktivität dieser Verbindung wesentlich höher ist als die Leitungsinduktivität der auf den Substraten montierten Bauelemente und somit die Schaltgeschwindigkeit der Bauelemente im übergeordneten Stromkreis begrenzt. A difficulty is in the prior art, the production of a low-inductance electrical connection of the components supporting substrates with a parent board. The parent board may, for example, further electrical components for controlling the electronic power semiconductor devices and their integration into an external circuit. So far, screw, solder or press connections are usually used to connect the substrates with parent circuit boards, in which the contact points of substrate and circuit board are brought into electrical contact via connecting wires. The disadvantage of such connection techniques is that the line inductance of this connection is substantially higher than the line inductance of the components mounted on the substrates and thus limits the switching speed of the components in the higher-level circuit.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verbindung zwischen den Kontaktstellen eines Substrats und den Kontaktstellen einer Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermeidet. The object of the invention is therefore to provide a connection between the contact points of a substrate and the contact points of a printed circuit board, which avoids the disadvantages mentioned.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene elektrische Modul gelöst. Das erfindungsgemäße elektrische Modul umfasst ein Substrat, auf dem wenigstens ein elektrisches Halbleiterbauelement und wenigstens zwei mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbundene erste Kontaktstellen angeordnet sind. Das Modul umfasst eine elektrische Leiterplatte mit wenigstens zwei zweiten Kontaktstellen und ferner eine elektrisch nichtleitende Trägerstruktur, die mit wenigstens zwei Verbindungsleitern versehen ist, die jeweils eine erste Kontaktstelle mit jeweils einer zweiten Kontaktstelle paarweise elektrisch verbinden. This object is achieved by the electrical module described in claim 1. The electrical module according to the invention comprises a substrate on which at least one electrical semiconductor component and at least two first contact points electrically connected to the semiconductor component are arranged. The module comprises an electrical circuit board having at least two second contact points and also an electrically non-conductive support structure, which is provided with at least two connecting conductors, each electrically connecting in pairs a first contact point, each with a second contact point.

Die erfindungsgemäße Trägerstruktur ermöglicht eine eng benachbarte Führung der wenigstens zwei Verbindungsleiter, so dass eine geringe Leitungsinduktivität erreicht werden kann und das elektrische Modul dadurch mit hohen Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden kann. Die Trägerstruktur ist selbst nicht leitend und kann somit mechanisch mit dem Substrat und/oder der Leiterplatte beispielsweise durch Andrücken und/oder Ankleben verbunden werden. Sie trägt die wenigstens zwei Verbindungsleiter und kann daher vorteilhaft vor der Herstellung der Verbindungen zwischen Substrat und Verbindungsleiter und zwischen Leiterplatte und Verbindungsleiter mit den Verbindungsleitern bestückt werden. Die Verwendung der Trägerstruktur ermöglicht auch eine einfache und kostengünstige Herstellung des elektrischen Moduls, da ihre Struktur eine einfache Positionierung zwischen Substrat und Leiterplatte bewirken kann. Neben der oben beschriebenen mechanischen Verbindung kann auch eine mechanische Entkopplung zwischen Leiterplatte und Substrat erreicht werden, da die Trägerstruktur mit dem Substrat und/oder mit der Leiterplatte nicht mechanisch fest verbunden sein muss, sondern nur eine elektrische Verbindung über die Verbindungsleiter elektrisch vorliegen muss. Die Verbindungsleiter sind typischerweise nur in einem Teilbereich mit der Trägerstruktur verbunden. In einem den jeweiligen Endstücken der Verbindungsleiter benachbarten Bereich können sie frei tragend angeordnet sein und somit zu einer Zugentlastung zwischen Trägerstruktur und Substrat und/oder zwischen Trägerstruktur und Leiterplatte beitragen. Auf analoge Weise kann die Trägerstruktur entweder eine thermische Kopplung oder aber eine thermische Entkopplung zwischen Substrat und Leiterplatte bewirken. The support structure according to the invention enables a closely adjacent guide of the at least two connecting conductors, so that a low line inductance can be achieved and the electrical module can thereby be operated at high switching speeds. The support structure itself is not conductive and can thus be mechanically connected to the substrate and / or the circuit board, for example by pressing and / or gluing. It carries the at least two connecting conductors and can therefore advantageously before the preparation of the connections between the substrate and Connecting conductor and between the circuit board and connecting conductor are equipped with the connecting conductors. The use of the support structure also allows a simple and inexpensive production of the electrical module, since its structure can cause a simple positioning between the substrate and circuit board. In addition to the mechanical connection described above, a mechanical decoupling between the printed circuit board and the substrate can be achieved because the support structure with the substrate and / or with the circuit board does not have to be mechanically fixed, but only an electrical connection via the connecting conductors must be electrically present. The connection conductors are typically connected to the support structure only in a partial area. In a region adjacent to the respective end pieces of the connecting conductors, they can be arranged freely supported and thus contribute to a strain relief between the carrier structure and the substrate and / or between the carrier structure and the printed circuit board. In an analogous manner, the support structure can cause either a thermal coupling or a thermal decoupling between substrate and circuit board.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das elektrische Modul zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die nichtleitende Trägerstruktur kann wenigstens zweidimensional ausgeformt sein. Insbesondere kann die nichtleitende Trägerstruktur eine Mehrzahl von parallel zu einer Hauptfläche des Substrats verlaufenden Stegen umfassen, wobei die Verbindungsleiter auf wenigstens einem Teil der Stege geführt sind. Die Hauptfläche des Substrats ist dabei zweckmäßig die Oberfläche, auf der das wenigstens eine elektrische Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die parallel zu dieser Oberfläche verlaufenden Stege erlauben eine Führung der Verbindungsleiter von den auf dieser Oberfläche angeordneten ersten Kontaktstellen zu einem Bereich seitlich neben dem Substrat, in dem die Kontaktstellen der Leiterplatte angeordnet sein können. Besonders vorteilhaft können die wenigstens zwei Verbindungsleiter paarweise an gegenüberliegenden Begrenzungsflächen desselben Stegs geführt werden. Dies bewirkt eine besonders niedrige Leitungsinduktivität für dieses Leiterpaar. Eventuell vorliegende weitere Verbindungsleiter können dann auch paarweise an gegenüberliegenden Flächen einzelner Stege angeordnet sein, so dass für jedes solcher Paare die Induktivität gering gehalten wird. Advantageous embodiments and further developments are apparent from the dependent of claim 1 claims. Accordingly, the electrical module may additionally have the following features:
The non-conductive support structure may be formed at least two-dimensionally. In particular, the non-conductive support structure may comprise a plurality of webs extending parallel to a main surface of the substrate, wherein the connection conductors are guided on at least a part of the webs. The main surface of the substrate is expediently the surface on which the at least one electrical semiconductor component is arranged. The webs extending parallel to this surface allow the connection conductors to be guided from the first contact points arranged on this surface to a region laterally adjacent to the substrate, in which the contact points of the printed circuit board can be arranged. Particularly advantageously, the at least two connecting conductors can be guided in pairs on opposite boundary surfaces of the same web. This causes a particularly low line inductance for this pair of conductors. Possibly present further connection conductors can then be arranged in pairs on opposite surfaces of individual webs, so that the inductance is kept low for each of such pairs.

Die Stege der Trägerstruktur können eine gitterförmige Anordnung aus einer Mehrzahl von zueinander parallelen Längsstegen und einer Mehrzahl von zueinander parallelen und zu den Längsstegen gewinkelt angeordneten Querstegen ausbilden. Diese Gitterstruktur kann dann eine frei tragende Struktur bilden, durch die mehrere Verbindungsleiter entlang zumindest zwei verschiedener Raumrichtungen parallel zu der Oberfläche des Substrats an den Rand des Substrats geführt werden können. Insbesondere können die Querstege und die Längsstege senkrecht zueinander angeordnet sein, so dass sich ein Raster von Zeilen und Spalten ergibt. Bei einer rechteckigen Grundfläche des Substrats können die Richtungen der Längs- und Querstege jeweils parallel zu den Kanten des Rechtecks verlaufen. Dann können die Verbindungsleiter entlang der Stege auf möglichst kurzen Wegen die ersten Kontaktstellen auf dem Substrat mit Bereichen außerhalb der Substratfläche verbinden. The webs of the support structure may form a grid-like arrangement of a plurality of mutually parallel longitudinal webs and a plurality of mutually parallel and angled to the longitudinal webs arranged transverse webs. This lattice structure can then form a free-standing structure, by means of which a plurality of connection conductors can be guided along at least two different spatial directions parallel to the surface of the substrate to the edge of the substrate. In particular, the transverse webs and the longitudinal webs can be arranged perpendicular to one another, resulting in a grid of rows and columns. In a rectangular base of the substrate, the directions of the longitudinal and transverse webs may each be parallel to the edges of the rectangle. Then the connecting conductors along the webs can connect the first contact points on the substrate with regions outside the substrate surface in the shortest possible paths.

Die Verbindungsleiter können bandförmige Leiter sein, die zumindest jeweils in einem inneren Teilabschnitt plan auf einer Begrenzungsfläche eines Teils der Trägerstruktur aufliegen. Umfasst die Trägerstruktur die oben beschriebenen Stege, so können die bandförmigen Leiter vorteilhaft auf Begrenzungsflächen der Stege aufliegen. Sie können beispielsweise in diesem aufliegenden Bereich senkrecht zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Im Bereich ihrer Endstücke können die Verbindungsleiter dann jeweils flächig mit den ersten und/oder zweiten Kontaktstellen in Kontakt stehen. Die ersten und/oder zweiten Kontaktstellen können als Kontaktflächen ausgebildet sein, und die Verbindungsleiter können beispielsweise durch Löten oder Schweißen oder durch elektrolytisch abgeschiedene Verbindungsschicht mit diesen Kontaktflächen in Verbindung gebracht sein. Alternativ kann der Kontakt zwischen Kontaktstelle und flächigem Verbindungsleiter aber auch über mechanisches Andrücken, beispielsweise über einen Federkontakt ausgebildet sein. Die bandförmigen Verbindungsleiter können als metallische Bänder ausgebildet sein, besonders vorteilhaft als Kupferbänder oder als Kupfer enthaltende Bänder. Die bandförmigen Leiter können über eine Klebeverbindung auf den Begrenzungsflächen der Trägerstruktur aufgebracht sein. Sie können aber auch alternativ oder zusätzlich durch mechanische Halterung an der Trägerstruktur fixiert sein. So kann die Trägerstruktur zusätzliche Halterungselemente zur Fixierung der Verbindungsleiter umfassen. Solche Halterungselemente können beispielsweise senkrecht zur Längsrichtung der Stege angeordnete Haltestifte sein, hinter die die Verbindungsleiter geklemmt sind. The connecting conductors may be band-shaped conductors which lie flush on a boundary surface of a part of the carrier structure at least in each case in an inner partial section. If the support structure comprises the above-described webs, then the band-shaped conductors can advantageously rest on boundary surfaces of the webs. For example, they may be perpendicular to the surface of the substrate in this overlying area. In the region of their end pieces, the connecting conductors can then each be in areal contact with the first and / or second contact points. The first and / or second contact points may be formed as contact surfaces, and the connection conductors may be brought into contact with these contact surfaces, for example, by soldering or welding or by an electrodeposited connection layer. Alternatively, the contact between the contact point and flat connecting conductor can also be formed by mechanical pressing, for example via a spring contact. The band-shaped connecting conductors can be formed as metallic bands, particularly advantageous as copper bands or as copper-containing bands. The band-shaped conductors can be applied via an adhesive bond on the boundary surfaces of the support structure. But they can also be fixed alternatively or additionally by mechanical support to the support structure. Thus, the support structure may include additional support members for fixing the connection conductor. Such support members may be, for example, perpendicular to the longitudinal direction of the webs arranged retaining pins, behind which the connecting conductors are clamped.

Das elektrische Modul kann ein oder mehrere elektrische Halbleiterbauelemente auf einem oder mehreren Substraten umfassen, wobei dem jeweiligen Halbleiterbauelement zumindest ein Paar von Verbindungsleitern zugeordnet ist, das aus einem Hinleiter und einem Rückleiter zur Einbindung des jeweiligen Halbleiterbauelements in einen übergeordneten Stromkreis besteht. The electrical module can comprise one or more electrical semiconductor components on one or more substrates, wherein the respective semiconductor component is assigned at least one pair of connection conductors, which consists of a forward conductor and a return conductor for integrating the respective semiconductor component into a higher-level circuit.

Zusätzlich können für manche Halbleiterbauelemente auch noch weitere Verbindungsleiter vorgesehen sein. Es können zusätzlich auch noch weitere Bauelemente vorhanden sein, die nicht auf diese Weise in den Stromkreis eingebunden sind. Es ist jedoch für viele Halbleiterbauelemente zweckmäßig, jedes Halbleiterbauelement zumindest mit einem Hin- und einem Rückleiter in den äußeren Stromkreis einzubinden. Die Leitungsinduktivität wird dann zu einem großen Teil durch die Beiträge dieser einzelnen Paare von Hin- und Rückleitern bestimmt. Daher ist es vorteilhaft, jedes Paar von Hin- und Rückleiter möglichst eng benachbart zu führen. Besonders vorteilhaft werden zu einem Halbleiterbauelement gehörige Hin- und Rückleiter an einem gemeinsamen Steg der Trägerstruktur mit möglichst geringem Abstand entlang geführt. Beispielsweise können Hin- und Rückleiter eines Leiterpaares an gegenüberliegenden Begrenzungsflächen eines gemeinsamen Stegs verlaufen. In addition, it is also possible to provide further connecting conductors for some semiconductor components. In addition, there may also be other components that are not incorporated in this way in the circuit. However, it is useful for many semiconductor devices to integrate each semiconductor device with at least one forward and one return conductor into the external circuit. The line inductance is then determined to a large extent by the contributions of these individual pairs of return conductors. Therefore, it is advantageous to lead each pair of return conductor as close as possible. Particularly advantageous are associated with a semiconductor device associated forward and return conductors on a common web of the support structure with the smallest possible distance along. For example, return conductor of a conductor pair can run on opposite boundary surfaces of a common web.

Diese jeweiligen einander zugeordneten Paare von Verbindungsleitern können vorteilhaft eine Leitungs-Induktivität von höchstens 10 nH pro Paar, besonders vorteilhaft 6 nH pro Paar aufweisen. Eine solche Ausgestaltung erlaubt den Einsatz des elektrischen Moduls beispielsweise für Anwendungen mit besonders hohen Schaltfrequenzen im Bereich von Kompaktumrichtern, beispielsweise für Radnabenantriebe oder Motor-Umrichterintegration. These respective mutually associated pairs of connecting conductors can advantageously have a line inductance of at most 10 nH per pair, particularly advantageously 6 nH per pair. Such a configuration allows the use of the electrical module, for example, for applications with particularly high switching frequencies in the field of compact converters, for example for wheel hub drives or motor-inverter integration.

Die beiden Verbindungsleiter eines solchen Paares können über die Länge der Verbindung zwischen Substrat und Leiterplatte einen Abstand von höchstens 5 mm, besonders vorteilhaft höchstens 2 mm aufweisen. Dies kann beispielsweise durch die Anbringung auf gegenüberliegenden Seiten von Stegen mit einer Breite unterhalb von 5 mm, besonders bevorzugt unterhalb von 2 mm erreicht werden. The two connecting conductors of such a pair may have a distance of at most 5 mm, particularly advantageously at most 2 mm, over the length of the connection between the substrate and the printed circuit board. This can be achieved for example by mounting on opposite sides of webs with a width below 5 mm, more preferably below 2 mm.

Das Substrat kann ein keramisches Substrat sein. Besonders vorteilhaft kann das Substrat Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumnitrid umfassen. Alternativ kann das Substrat auch eine metallische Grundplatte umfassen, die mit einem Dielektrikum beschichtet ist. In jedem Fall kann das Substrat mit Leiterbahn-Strukturen zur Schaffung von Kontaktstellen und zur Verbindung der Kontaktstellen ausgebildet sein. Diese Leiterbahn-Strukturen können als flächige metallische Leiterbahnen, beispielsweise als Leiterbahnen aus Kupfer ausgebildet sein. Das Substrat kann als im Wesentlichen planares Substrat ausgebildet sein, auf dessen Oberfläche das wenigstens eine Halbleiterbauelement aufgebracht wird und auf Kontaktstellen der Leiterbahn-Strukturen kontaktiert wird. Das Substrat kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen. Das wenigstens eine elektrische Bauelement kann über eine planare Verbindungstechnologie mit den ersten Kontaktstellen des Substrats elektrisch verbunden sein. Die planare Verbindungstechnologie kann durch die Verwendung strukturierter Isolierfolien und/oder flacher Kontaktleiterbahnen gekennzeichnet sein. The substrate may be a ceramic substrate. Particularly advantageously, the substrate may comprise aluminum oxide, silicon nitride and / or aluminum nitride. Alternatively, the substrate may also include a metal baseplate coated with a dielectric. In either case, the substrate may be formed with trace structures to provide pads and connect the pads. These conductor track structures can be designed as flat metallic conductor tracks, for example as conductor tracks made of copper. The substrate may be formed as a substantially planar substrate, on the surface of which the at least one semiconductor component is applied and is contacted on contact points of the conductor track structures. The substrate may for example have a rectangular base. The at least one electrical component may be electrically connected to the first contact points of the substrate via a planar connection technology. The planar interconnect technology may be characterized by the use of patterned insulating films and / or flat contact traces.

Das wenigstens eine elektrische Halbleiterbauelement kann ein Leistungs-Bauelement sein. Unter einem Leistungs-Bauelement soll hier ein schaltbares elektrisches Bauelement verstanden werden, das in Anlagen im Leistungsbereich von etwa einem Watt bis zu einigen Gigawatt, meist bis zu einigen Megawatt eingesetzt werden kann. Die eingesetzten elektrischen Spannungen liegen dabei typischerweise oberhalb von 100 V, oft sogar oberhalb von 1 kV, und die elektrischen Ströme liegen typischerweise oberhalb von 10 A. Für den Einsatz solcher Leistungs-Bauelemente ist das Erreichen niedriger Leitungs-Induktivitäten besonders wichtig, um die hohen Ströme mit hohen Schaltfrequenzen, also mit niedrigen Schaltzeiten schalten zu können. Leistungs-Bauelemente werden beispielsweise in Wechselrichtern, Gleichstromstellern oder Leistungsschaltern eingesetzt. Häufig eingesetzte Leistungs-Bauelemente sind Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, sogenannte IGBTs. The at least one electrical semiconductor component may be a power component. A power component is to be understood here as a switchable electrical component that can be used in systems in the power range from about one watt to several gigawatts, usually up to a few megawatts. The electrical voltages used are typically above 100 V, often even above 1 kV, and the electrical currents are typically above 10 A. For the use of such power devices, the achievement of low line inductances is particularly important to the high To be able to switch currents with high switching frequencies, ie with low switching times. Power devices are used, for example, in inverters, DC controllers or circuit breakers. Frequently used power components are bipolar transistors with insulated gate electrode, so-called IGBTs.

Das elektrische Modul kann als Stromrichter-Modul ausgebildet sein, beispielsweise als Wechselrichter, Gleichrichter oder Umrichter. Alternativ kann das Modul als Gleichstromsteller ausgebildet sein. Derartige Leistungsmodule benötigen schnelle Schalt- oder Kommutierungsvorgänge mit Zeitkonstanten im Bereich unterhalb von 500 ns. Alternativ kann das Modul auch als lichtemittierendes Modul ausgebildet sein und einen Laser und/oder eine Leuchtdiode als Halbleiterbauelement umfassen, wobei auch hier mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung schnelle Schaltzeiten für die Lichtquelle erreicht werden können. The electrical module can be designed as a converter module, for example as an inverter, rectifier or converter. Alternatively, the module can be designed as a DC-DC converter. Such power modules require fast switching or commutation with time constants in the range below 500 ns. Alternatively, the module may also be designed as a light-emitting module and comprise a laser and / or a light-emitting diode as a semiconductor component, wherein here too fast switching times for the light source can be achieved with the embodiment according to the invention.

Die elektrische Leiterplatte kann zusätzlich eine Steuervorrichtung und/oder eine Anschlussvorrichtung und/oder eine Kondensatorvorrichtung umfassen. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise Treiber für die Halbleiterbauelemente umfassen. Die Anschlussvorrichtung kann Lastanschlüsse zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis umfassen. Die Kondensatorvorrichtung kann beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator eines Umrichters umfassen. The electrical circuit board may additionally comprise a control device and / or a connection device and / or a capacitor device. The control device may comprise, for example, drivers for the semiconductor components. The terminal device may include load terminals for connection to an external circuit. The capacitor device may comprise, for example, an intermediate circuit capacitor of an inverter.

Die Leiterplatte kann mit einer Aussparung zur Aufnahme des Substrats und/oder eines mit dem Substrat verbundenen Teils der Trägerstruktur versehen sein. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Trägerstruktur in wenigstens einer seitlichen Raumrichtung größer ist als die Breite des Substrats. Die Grundfläche der Trägerstruktur kann auch in beiden seitlichen Raumrichtungen größer sein als die Grundfläche des Substrats. Dann kann die Trägerstruktur so angeordnet sein, dass sie in einem Teil der Randbereiche oder in allen Randbereichen über die Substratfläche hinausragt. Das Substrat kann in einem inneren Bereich der Grundfläche der Trägerstruktur mit der Trägerstruktur verbunden sein, wobei das Substrat in der Aussparung der Leiterplatte angeordnet sein kann. Ein oder mehrere Randbereiche der Trägerstruktur können dann mit der umgebenden Leiterplatte verbunden sein. Bei den Verbindungen der Trägerstruktur mit der Leiterplatte und/oder dem Substrat kann es sich entweder um direkte mechanische Verbindungen, beispielsweise durch Verklebung oder durch Anpressen handeln. Oder aber es kann nur eine indirekte Verbindung durch die elektrische Verbindung der Verbindungsleiter vorliegen. The circuit board may be provided with a recess for receiving the substrate and / or a part of the support structure connected to the substrate. In this embodiment, it is advantageous if the width of the support structure in at least one lateral spatial direction is greater than the width of the substrate. The base area of the carrier structure can also be larger in both lateral spatial directions than the base area of the substrate. Then the support structure can be arranged so that it projects beyond the substrate surface in a part of the edge regions or in all edge regions. The substrate may be connected to the carrier structure in an inner region of the base surface of the carrier structure, wherein the substrate may be arranged in the recess of the printed circuit board. One or more edge regions of the carrier structure can then be connected to the surrounding printed circuit board. In the compounds of the support structure with the circuit board and / or the substrate may be either direct mechanical connections, for example by gluing or by pressing. Or it can only be an indirect connection through the electrical connection of the connecting conductor.

Die Trägerstruktur kann vorteilhaft dreidimensional ausgeformt sein. Ist das Substrat mit einem inneren Bereich der Grundfläche der Trägerstruktur verbunden, dann kann die Trägerstruktur in diesem inneren Bereich zumindest in Teilbereichen dicker ausgebildet sein als in den benachbarten Randbereichen. Insbesondere können im inneren Bereich der Trägerstruktur auf einer dem Substrat zugewandten Unterseite der Trägerstruktur Vorsprünge vorhanden sein. Über diese Vorsprünge können beispielsweise die Verbindungsleiter bis auf die Ebene des Substrats geführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann über die Vorsprünge ein Anpressdruck von der Trägerstruktur auf das Substrat übertragen werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn diese Vorsprünge im inneren Bereich der Trägerstruktur in einer Aussparung der Leiterplatte angeordnet sind und wenn das Substrat selbst im Bereich dieser Aussparung so angeordnet ist, dass es sich auf einer von den zweiten Kontaktstellen abgewandten Seite der Leiterplatte befindet. Es ist also in dieser Ausführungsform in der Höhe versetzt unterhalb der Aussparung in der Leiterplatte angeordnet. The support structure may advantageously be shaped in three dimensions. If the substrate is connected to an inner region of the base surface of the carrier structure, then the carrier structure in this inner region can be made thicker, at least in partial regions, than in the adjacent edge regions. In particular, projections may be present in the inner region of the carrier structure on an underside of the carrier structure facing the substrate. By means of these projections, for example, the connecting conductors can be guided to the level of the substrate. Additionally or alternatively, a contact pressure can be transmitted from the carrier structure to the substrate via the projections. It may be advantageous if these projections are arranged in the inner region of the support structure in a recess of the circuit board and if the substrate itself is arranged in the region of this recess so that it is located on a side remote from the second contact points of the circuit board. It is thus arranged offset in height in this embodiment below the recess in the circuit board.

Die nichtleitende Trägerstruktur kann vorteilhaft die Materialien Kunststoff, Keramik, Glas und/oder glasfaserverstärkte Kunstoffe umfassen. Besonders vorteilhaft kann die Trägerstruktur ein mit einem Spritzgussverfahren hergestelltes Bauteil sein. Dies ist vor allem bei einer dreidimensionalen Ausformung mit Stegen und/oder Vorsprüngen besonders zweckmäßig. The nonconductive support structure may advantageously comprise the materials plastic, ceramic, glass and / or glass-fiber reinforced plastics. Particularly advantageously, the support structure may be a component produced by an injection molding process. This is especially useful in the case of a three-dimensional shaping with webs and / or projections.

Eine die ersten Kontaktstellen umfassende Hauptfläche des Substrats und eine die zweiten Kontaktstellen umfassende Hauptfläche der Leiterplatte können zueinander parallel angeordnet sein. Die Ausführungsform mit zueinander parallelen Hauptflächen von Leiterplatte und Substrat hat den Vorteil, dass das gesamte elektrische Modul auf diese Weise möglichst flach ausgebildet werden kann. Wie vorab beschrieben, kann das Substrat auch in eine geeignete Aussparung der Leiterplatte eingeführt oder durch eine solche hindurch gesteckt werden. Die genannten Hauptflächen von Leiterplatte und Substrat können dabei entweder in einer Ebene liegen oder sie können wie in der oben beschriebenen Ausführungsform in der Höhe gegeneinander versetzt sein. Im letzteren Fall kann eine gestufte Ausführung der Trägerstruktur nützlich sein, um die auf verschiedenen Höhen liegenden Hauptflächen zu verbinden. A main surface of the substrate comprising the first contact pads and a main surface of the printed circuit board including the second pads may be arranged in parallel with each other. The embodiment with mutually parallel main surfaces of printed circuit board and substrate has the advantage that the entire electrical module can be formed as flat as possible in this way. As described above, the substrate may also be inserted into or inserted through a suitable recess of the printed circuit board. The said main surfaces of printed circuit board and substrate can either lie in one plane or they can be offset from each other in height as in the embodiment described above. In the latter case, a stepped design of the support structure may be useful to connect the major surfaces lying at different heights.

Das Substrat und die Leiterplatte können auf derselben Seite der Trägerstruktur angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, wenn das elektrische Modul als möglichst flaches Modul ausgebildet sein soll. In dieser Ausführungsform dient die Trägerstruktur zur mechanischen Führung der Verbindungsleiter vom Substrat auf seitlich davon angeordnete Bereiche der Leiterplatte, wobei die Verbindungsleiter durch diese Art der Führung vorteilhaft besonders eng beieinander geführt werden können. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass Substrat und Leiterplatte auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerstruktur angeordnet sind. In einem solchen Fall dient die Trägerstruktur dann nicht nur der seitlichen Führung der Verbindungsleiter parallel zur Ebene der Leiterplatte, sondern auch zu einer Führung der Verbindungsleiter senkrecht zur Ebene der Leiterplatte. The substrate and the circuit board may be disposed on the same side of the support structure. This is advantageous if the electrical module is to be designed as a module which is as flat as possible. In this embodiment, the support structure for the mechanical guidance of the connection conductor from the substrate to laterally disposed therefrom areas of the circuit board, wherein the connection conductor can be guided by this type of leadership advantageously particularly close to each other. Alternatively, however, it is also possible for the substrate and printed circuit board to be arranged on opposite sides of the carrier structure. In such a case, the support structure then serves not only the lateral guidance of the connection conductors parallel to the plane of the circuit board, but also to a guidance of the connection conductors perpendicular to the plane of the circuit board.

Das elektrische Modul kann weiterhin eine Anordnung zur mechanischen Halterung der Trägerstruktur und/oder des Substrats auf der Leiterplatte umfassen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Trägerstruktur mechanisch auf das Substrat gepresst wird. Das elektrische Modul kann hierzu zusätzlich einen Bügel und eine Druckplatte umfassen, die den Druck auf die Grundfläche Trägerstruktur oder einen Teil dieser Grundfläche verteilt. Der Druck kann also beispielsweise von dem Bügel auf die Druckplatte, von dieser auf die Trägerstruktur und von der Trägerstruktur auf das Substrat übertragen werden. Das elektrische Modul kann zusätzlich eine Entwärmungsvorrichtung umfassen. Beispielsweise kann eine Kühlplatte zur Entwärmung des Substrats und der darauf angeordneten Bauelemente vorgesehen sein. Das Substrat kann dann zum Beispiel auf die oben beschriebene Weise an die Kühlplatte gedrückt werden, um einen möglichst guten thermischen Kontakt herzustellen. The electrical module may further comprise an arrangement for mechanically supporting the support structure and / or the substrate on the circuit board. Such an arrangement may for example be designed so that the support structure is mechanically pressed onto the substrate. For this purpose, the electrical module may additionally comprise a bracket and a pressure plate which distributes the pressure to the base support structure or a part of this base. The pressure can thus be transmitted, for example, from the bracket to the printing plate, from there to the support structure and from the support structure to the substrate. The electrical module may additionally comprise a cooling device. For example, a cooling plate may be provided for cooling the substrate and the components arranged thereon. The substrate can then be pressed onto the cooling plate, for example in the manner described above, in order to produce the best possible thermal contact.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen: The invention will be described below with reference to several preferred embodiments with reference to the attached drawings, of which:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines elektrischen Moduls 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, 1 a schematic perspective view of an electrical module 1 according to a first embodiment of the invention,

2 einen seitlichen Querschnitt des in 1 dargestellten Moduls 1 zeigt, 2 a lateral cross section of the in 1 illustrated module 1 shows,

3 eine Detailansicht eines Führungsstegs 11a nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, 3 a detailed view of a guide bar 11a according to a second embodiment of the invention,

4 eine schematische Aufsicht des Führungsstegs 11a nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, 4 a schematic plan view of the guide bar 11a according to the second embodiment,

5 eine schematische Aufsicht eines elektrischen Moduls 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und 5 a schematic plan view of an electrical module 1 according to a third embodiment shows and

6 einen schematischen Querschnitt eines elektrischen Moduls 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt. 6 a schematic cross section of an electrical module 1 according to a fourth embodiment shows.

Einander entsprechende oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.

In 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung von einzelnen Komponenten eines elektrischen Moduls 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Substrat 3, auf dem mit planarer Aufbautechnologie ein Halbleiterbauelement 5 aufgebracht ist. Das Substrat 3 ist hier ein Keramiksubstrat, das in Teilbereichen mit einer Kupferschicht metallisiert ist. Das Halbleiterbauelement 5 ist hier ein als IGBT ausgeführter Siliziumchip, der mit der planaren Aufbautechnologie unter Verwendung einer Isolierfolie mit hier nicht gezeigten planaren Kontaktleiterbahnen auf ebenfalls nicht gezeigte Kontaktierungsstellen für das Bauelement 5 elektrisch kontaktiert ist. Über im Keramiksubstrat 3 integrierte Leiterbahnen ist das Bauelement 5 mit zwei ersten Kontaktstellen 7 des Substrats 3 elektrisch verbunden. In 1 is a schematic perspective view of individual components of an electrical module 1 shown according to a first embodiment of the invention. Shown is a substrate 3 , on which with planar build technology a semiconductor device 5 is applied. The substrate 3 Here is a ceramic substrate, which is metallized in some areas with a copper layer. The semiconductor device 5 Here is a designed as IGBT silicon chip, with the planar construction technology using an insulating film with not shown here planar Kontaktleiterbahnen on also not shown contacting points for the device 5 electrically contacted. Over in the ceramic substrate 3 integrated tracks is the device 5 with two first contact points 7 of the substrate 3 electrically connected.

Weiterhin ist eine dreidimensional geformte Trägerstruktur 9 gezeigt, die in diesem Beispiel als eine nach oben offene Gitterstruktur aus sich kreuzenden Querstegen 11 und Längsstegen 13 ausgebildet ist. Die Querstege 11 und Längsstege 13 sind in diesem Beispiel in einer Ebene angeordnet, sie können alternativ jedoch auch in unterschiedlichen, übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sein. Zusätzlich kann Trägerstruktur 9 auch noch eine auf der Oberseite 9a angeordnete Deckplatte umfassen, die die Struktur nach oben hin abschließt und das Modul auf dieser Seite einkapselt. Auf der Unterseite 9b können sowohl Aussparungen zur Aufnahme des Bauelements 5 als auch Vorsprünge zur Führung von Leitern und/oder zur Druckübertragung angeordnet sein. Diese Aussparungen und Vorsprünge sind in der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Furthermore, a three-dimensionally shaped support structure 9 shown in this example as an upwardly open lattice structure of intersecting transverse webs 11 and longitudinal webs 13 is trained. The crossbars 11 and longitudinal webs 13 are arranged in a plane in this example, but they may alternatively be arranged in different, superimposed planes. In addition, support structure can 9 also one more on the top 9a arranged cover plate, which closes the structure towards the top and encapsulates the module on this page. On the bottom 9b Both can have recesses for receiving the device 5 as well as projections for guiding conductors and / or pressure transmission to be arranged. These recesses and protrusions are in the 1 for the sake of clarity not shown.

Die Trägerstruktur 9 wird mit dem Substrat 3 über eine erste Verbindung 15 verbunden. Hierbei wird eine Verbindung der ersten Kontaktstellen 7 mit den in 1 nicht gezeigten, an der Trägerstruktur 9 entlanggeführten Verbindungsleitern 35 geschaffen. Weiterhin ist eine Leiterplatte 19 gezeigt, die dann mit der resultierenden Einheit aus Trägerstruktur 9 und Substrat 3 über eine zweite Verbindung 17 verbunden wird. Bei der Herstellung der zweiten Verbindung 17 wird dann ein Kontakt zwischen Verbindungsleitern 35 und den zweiten Kontaktstellen 28 hergestellt. Die Trägerstruktur 9 wirkt dabei als Führung für wenigstens zwei Verbindungsleiter 35. Die beiden Verbindungen 15 und 17 zwischen Substrat 3, Trägerstruktur 9 und Leiterplatte 19 können dabei entweder durch direkte mechanische Fixierung und/oder über eine indirekte Anbindung durch den Verbindungsleiter 35 an die Kontaktstellen 7 und 27 hergestellt werden. Bei der Schaffung der zweiten Verbindung 17 wird das Substrat 3 auf der Unterseite der Trägerstruktur 9 durch eine hierfür vorgesehene Substrataussparung 21 in der Leiterplatte 19 gesteckt. Weiterhin sind in der Leiterplatte 19 Justageaussparungen 23 vorgesehen, in die passende Vorsprünge 31 auf der Unterseite 9b der Trägerstruktur 9 greifen können. Hierdurch wird eine einfache und passgenaue Justage der mit dem Substrat 3 verbundenen Trägerstruktur 9 auf der Leiterplatte 19 ermöglicht. The support structure 9 becomes with the substrate 3 over a first connection 15 connected. This is a connection of the first contact points 7 with the in 1 not shown, on the support structure 9 along guided connecting conductors 35 created. Furthermore, a circuit board 19 shown then with the resulting unit of support structure 9 and substrate 3 over a second connection 17 is connected. In the preparation of the second compound 17 then becomes a contact between connection conductors 35 and the second contact points 28 produced. The support structure 9 acts as a guide for at least two connecting conductors 35 , The two connections 15 and 17 between substrate 3 , Support structure 9 and circuit board 19 can either by direct mechanical fixation and / or via an indirect connection through the connecting conductor 35 to the contact points 7 and 27 getting produced. In the creation of the second connection 17 becomes the substrate 3 on the underside of the support structure 9 by a substrate recess provided for this purpose 21 in the circuit board 19 plugged. Furthermore, in the circuit board 19 Justageaussparungen 23 provided in the appropriate projections 31 on the bottom 9b the support structure 9 can grab. This is a simple and accurate adjustment of the with the substrate 3 connected carrier structure 9 on the circuit board 19 allows.

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das in 1 dargestellte elektrische Modul 1. Der Querschnitt ist so gewählt, dass eine Begrenzungsfläche des als Führungssteg wirkenden Querstegs 11a detaillierter gezeigt wird. Die senkrecht zu diesem Führungssteg 11a verlaufenden Längsstege 13 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Auf der vorderen Begrenzungsfläche des Führungsstegs 11a ist einer der Verbindungsleiter 35 angeordnet, der eine erste Kontaktstelle 7 auf dem Substrat 3 mit einer zweiten Kontaktstelle 27 auf der Leiterplatte 19 elektrisch verbindet. Im Kreuzungsbereich des den Führungssteg 11a kreuzenden Längsstegs 13a ist dabei eine Einkerbung als Unterbrechung vorgesehen, die ein Entlangführen des Verbindungsleiters 35 an der Seitenfläche des Querstegs 11a ermöglicht. 2 shows a schematic cross section through the in 1 illustrated electrical module 1 , The cross section is selected such that a boundary surface of the transverse web acting as a guide web 11a is shown in more detail. The perpendicular to this guide bar 11a extending longitudinal webs 13 are indicated by dashed lines. On the front boundary surface of the guide bar 11a is one of the connecting conductors 35 arranged, which is a first contact point 7 on the substrate 3 with a second contact point 27 on the circuit board 19 connects electrically. In the crossing area of the guide bar 11a crossing longitudinal ridge 13a In this case, a notch is provided as an interruption, the entanglement of the connection conductor 35 on the side surface of the crosspiece 11a allows.

Substrat 3 und Leiterplatte 19 sind in diesem Beispiel auf zwei verschiedenen, aber zueinander parallel liegenden Ebenen an der Unterseite 9b der Trägerstruktur angeordnet. Um den Verbindungsleiter 27 bis zu den Ebenen von Substrat 3 und Leiterplatte 19 zu führen, sind auf der Unterseite 9b der Trägerstruktur 9 entsprechend ausgedehnte Vorsprünge 33a und 33b vorgesehen. Der erste Vorsprung zur Leiterführung 33a hat dabei eine größere Ausdehnung senkrecht zur Ebene des Substrats 3 als der zweite Vorsprung 33b, da der Abstand des Führungsstegs 11a zum Substrat 3 größer ist als der Abstand des Führungsstegs 11a zur Leiterplatte 19a. Der erste Vorsprung 33a kann weiterhin dazu dienen, einen mechanischen Druck von der Trägerstruktur 9 auf das Substrat 3 zu übertragen. In dem gezeigten Beispiel sind zusätzlich weitere Vorsprünge 31 vorgesehen, die zu einer Druckübertragung auf das Substrat 3 dienen und außerdem in die in 1 gezeigten Justageaussparungen 23 eingreifen. Durch diese Vorsprünge 31 und 33 kann die Trägerstruktur also gleichzeitig dazu verwendet werden, das Substrat 3 gegen eine hier nicht gezeigte Unterlage anzupressen. substratum 3 and circuit board 19 in this example are on two different but parallel planes at the bottom 9b arranged the support structure. To the connecting conductor 27 up to the levels of substrate 3 and circuit board 19 to lead are on the bottom 9b the support structure 9 according to extended tabs 33a and 33b intended. The first lead for ladder guidance 33a has a greater extent perpendicular to the plane of the substrate 3 as the second projection 33b because the distance of the guide bar 11a to the substrate 3 is greater than the distance of the guide bar 11a to the circuit board 19a , The first advantage 33a may continue to serve a mechanical pressure from the support structure 9 on the substrate 3 transferred to. In the example shown, in addition, further projections 31 provided to a pressure transfer to the substratum 3 serve and also in the in 1 shown adjustment savings 23 intervention. Through these projections 31 and 33 Thus, the support structure can be used simultaneously to the substrate 3 to press against a document not shown here.

3 zeigt eine Detailansicht eines Führungsstegs 11a der Trägerstruktur 9 eines ähnlichen zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In der gezeigten perspektivischen Schemazeichnung ist einer von zwei auf einem Führungssteg 11a geführten Verbindungsleitern 35 zu sehen. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Trägerstruktur 9 so ausgebildet, dass sie die Kontaktstellen 7 eines tief liegenden Substrats 3 und die Kontaktstellen einer etwas höher liegenden Leiterplatte 19 über an dem Führungssteg 11a entlanggeführte bandförmige Verbindungsleiter 35 elektrisch verbinden kann. In diesem Beispiel ist allerdings im Bereich des Verbindungsleiters 35 kein den Führungssteg 11a kreuzender Längssteg vorhanden. Der Führungssteg 11a weist im Bereich der Oberseite 9a der Trägerstruktur 9 eine etwas größere Breite auf als im Bereich der Unterseite 9b, so dass also insgesamt ein T-förmiges Profil vorliegt. An der breiteren Oberseite des Führungsstegs 11a sind insgesamt vier Halterungsstifte 37 angebracht, von denen jeweils zwei zur Halterung eines der Verbindungsleiter 35 vorgesehen sind. 3 shows a detailed view of a guide bar 11a the support structure 9 a similar second embodiment of the invention. In the perspective schematic diagram shown is one of two on a guide bar 11a guided connection conductors 35 to see. Also in the second embodiment, the support structure 9 designed to be the contact points 7 a deep-lying substrate 3 and the contact points of a slightly higher circuit board 19 over at the guide bar 11a along guided band-shaped connecting conductor 35 electrically connect. In this example, however, is in the area of the connection conductor 35 no the guide bar 11a crossing longitudinal ridge available. The guide bar 11a points in the area of the top 9a the support structure 9 a slightly larger width than in the area of the bottom 9b , so that so overall there is a T-shaped profile. At the wider top of the guide bar 11a are a total of four support pins 37 attached, two of which each for holding one of the connecting conductors 35 are provided.

Die Verbindungsleiter 35 sind hier bandförmige Leiter, die in diesem Beispiel als Kupferbänder ausgeführt sind. Die Verbindungsleiter sind über Lötverbindungen flächig mit den Kontaktstellen 7 und 27 kontaktiert. Alternativ können hier beispielsweise auch flächige Kontakte über Schweiß- oder Sinterverbindungen hergestellt werden. The connection ladder 35 Here are band-shaped conductors, which are designed in this example as copper bands. The connecting conductors are flat over solder joints with the contact points 7 and 27 contacted. Alternatively, it is also possible, for example, to produce surface contacts via welded or sintered connections.

Auf der in 3 nicht sichtbaren Rückseite des Führungsstegs 11a ist ein weiterer Verbindungsleiter 35 in spiegelbildlicher Anordnung geführt. Das auf dem Substrat 3 angeordnete Bauelement 5 ist also über ein Leiterpaar aus einem Hin- und einem Rückleiter mit der übergeordneten Leiterplatte 19 verbunden. Die sich für diese Verbindung ergebende Leiterinduktivität steigt mit dem von diesem Leiterpaar eingeschlossenen effektiven Volumen. Insbesondere steigt sie mit der Länge 39 der Verbindungsleiter und der Entfernung der beiden parallel geführten Leiter, die hier im Wesentlichen durch die Breite 41 des Führungsstegs 11a vorgegeben ist. Um die Induktivität möglichst gering zu halten, liegt die Länge 39 der Verbindungsleiter vorteilhaft unterhalb von 2 cm, besonders bevorzugt unterhalb von 1 cm. Die Breite 41 des Führungsstegs 11a liegt bevorzugt bei höchstens 10 mm. Eine Mindest-Entfernung zwischen den Verbindungsleitern 35 eines solchen Leiterpaares ergibt sich aus den Anforderungen für die Kriechstrecken, um im jeweils vorliegenden Spannungsbereich elektrische Überschläge zu vermeiden. Beispielsweise kann das wenigstens eine elektrische Bauelement 5 ein leistungselektronisches Bauelement sein, das für eine Betriebsspannung oberhalb von 100 V ausgelegt ist. Dann liegt die Stegbreite und damit die kleinste Entfernung der beiden Verbindungsleiter vorteilhaft bei mindestens 1 mm, besonders vorteilhaft bei mindestens 2 mm. In einem anderen Beispiel ist das Bauelement für eine Betriebsspannung oberhalb von 500 V ausgelegt. Die Stegbreite und damit die kleinste Entfernung der beiden Verbindungsleiter liegt dann vorteilhaft bei mindestens 2.5 mm, besonders vorteilhaft bei mindestens 5 mm, um elektrische Überschläge zu vermeiden. Die Dicke der Trägerstruktur 9 kann in der in 3 vertikal dargestellten Richtung vorteilhaft zwischen 0.5 mm und 3 cm, besonders vorteilhaft zwischen 0.5 mm und 1 cm liegen. On the in 3 invisible back of the guide bar 11a is another connecting conductor 35 guided in a mirror image arrangement. That on the substrate 3 arranged component 5 So is a pair of conductors from a forward and a return conductor with the parent board 19 connected. The conductor inductance resulting for this connection increases with the effective volume enclosed by this pair of conductors. In particular, it increases with length 39 the connecting conductor and the distance between the two parallel conductors, here essentially by the width 41 of the guide bar 11a is predetermined. In order to keep the inductance as low as possible, the length is 39 the connecting conductor advantageously below 2 cm, more preferably below 1 cm. The width 41 of the guide bar 11a is preferably at most 10 mm. A minimum distance between the connecting conductors 35 Such a pair of conductors results from the requirements for the creepage distances in order to avoid electrical flashovers in the respective voltage range present. For example, the at least one electrical component 5 be a power electronic device designed for an operating voltage above 100V. Then, the web width and thus the smallest distance of the two connecting conductors is advantageously at least 1 mm, particularly advantageously at least 2 mm. In another example, the device is designed for an operating voltage above 500V. The web width and thus the smallest distance of the two connecting conductors is then advantageous at least 2.5 mm, particularly advantageous at least 5 mm, to avoid electrical flashovers. The thickness of the support structure 9 can in the in 3 vertically shown direction advantageously between 0.5 mm and 3 cm, particularly advantageously between 0.5 mm and 1 cm.

Alternativ oder zusätzlich zu der in 3 gezeigten oberen Verbreiterung der Stege der Trägerstruktur 9 können die Stege auch auf einer Unterseite 9b der Trägerstruktur 9 seitlich verbreitert sein. Dies kann entweder alle Querstege 11 und Längsstege 13 betreffen oder auch nur die als Führungsstege 11a für die Verbindungsleiter 35 wirkenden Stege betreffen. Der Vorteil von oben und/oder unten verbreiterten Stegen ist, dass die bei einer vorgegebenen Betriebsspannung eines Leistungsmoduls 1 einzuhaltenden Kriechstrecken leichter eingehalten werden können, und dass gleichzeitig die Entfernung der paarweise geführten Verbindungsleiter 35 deutlich geringer als die geforderte Kriechstrecke gehalten werden kann. Solche Ausführungsformen bewirken vorteilhaft geringe Leitungsinduktivitäten bei gleichzeitig hohen Durchschlagsfestigkeiten. Alternatively or in addition to the in 3 shown upper broadening of the webs of the support structure 9 The webs can also be on a bottom 9b the support structure 9 be widened laterally. This can either all crossbars 11 and longitudinal webs 13 concern or even the only as a guide bars 11a for the connection ladder 35 affecting effective webs. The advantage of webs which are widened at the top and / or at the bottom is that they are at a given operating voltage of a power module 1 Creepage distances to be complied with are easier to comply with, and that at the same time the removal of the paired out connecting conductors 35 significantly lower than the required creepage distance can be maintained. Such embodiments advantageously cause low conduction inductances with simultaneously high dielectric strengths.

In 4 ist eine schematische Aufsicht des in 3 abgebildeten Führungsstegs 11a gezeigt. In dieser Aufsicht ist die paarige, symmetrische Anordnung der beiden Verbindungsleiter 35 zu erkennen. Zur besseren Übersicht ist der breite obere Teil des Führungsstegs 11a nur gestrichelt gezeichnet. Die Verbindungsleiter sind hier symmetrisch angeordnet und werden an gegenüberliegenden Seitenflächen des schmaleren Teils des Führungsstegs gehalten. Sie sind mechanisch durch jeweils zwei Halterungsstifte 37 geführt. Sie sind in diesem Beispiel jedoch nicht fest mit dem Führungssteg 11a verbunden, so dass eventuelle mechanische Spannungen durch die locker geführten Leiter 35 ausgeglichen werden können. In 4 is a schematic view of the in 3 illustrated guide bar 11a shown. In this plan is the paired, symmetrical arrangement of the two connection conductors 35 to recognize. For a better overview is the wide upper part of the guide bar 11a drawn only dashed. The connecting conductors are arranged symmetrically here and are held on opposite side surfaces of the narrower part of the guide web. They are mechanically by two retaining pins each 37 guided. However, they are not fixed to the guide bar in this example 11a Connected, so that any mechanical stresses through the loosely guided ladder 35 can be compensated.

5 zeigt eine schematische Aufsicht eines elektrischen Moduls 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel sind drei Halbleiterbauelemente 5a, 5b und 5c auf einem gemeinsamen keramischen Substrat 3 angeordnet und jeweils mit planarer Verbindungstechnik aufgebaut. Auch hier sind das Substrat 3 und die Leiterplatte 19 auf der gleichen Seite der Trägerstruktur angeordnet. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass Substrat 3 und Leiterplatte 19 auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerstruktur 9 angeordnet sind. 5 shows a schematic plan view of an electrical module 1 according to a third embodiment of the invention. In this example, there are three semiconductor devices 5a . 5b and 5c on a common ceramic substrate 3 arranged and constructed in each case with planar connection technology. Again, this is the substrate 3 and the circuit board 19 on the same side of the support structure arranged. However, it is also possible in principle for the substrate 3 and circuit board 19 on opposite sides of the support structure 9 are arranged.

In dem gezeigten Beispiel ist Bauelement 5a mit einem Paar von Verbindungsleitern 35a an die Leiterplatte 19 kontaktiert. Die Verbindungsleiter 35a sind an gegenüberliegenden Seiten von einem der fünf Längsstege 13 entlang geführt und müssen dabei einen der Querstege 11 kreuzen, der in diesem Bereich unterbrochen ist. Bauelement 5b ist ebenfalls mit einem Paar Verbindungsleiter 35b kontaktiert. Die Verbindungsleiter 35b sind an gegenüberliegenden Seiten eines Querstegs 11 entlang geführt. Die Strecke ist hierbei so kurz, dass kein Kreuzungspunkt überwunden werden muss. Das dritte Bauelement 5c ist schließlich mit insgesamt drei Verbindungsleitern 35c kontaktiert, von denen zwei eng beieinander geführt werden und der dritte in einem relativ großen Abstand angeordnet ist. In the example shown is a component 5a with a pair of connecting conductors 35a to the circuit board 19 contacted. The connection ladder 35a are on opposite sides of one of the five longitudinal webs 13 guided along and have one of the transverse webs 11 cross, which is interrupted in this area. module 5b is also with a pair of connection conductors 35b contacted. The connection ladder 35b are on opposite sides of a crossbar 11 guided along. The route is so short that no crossing point has to be overcome. The third component 5c is finally with a total of three connecting conductors 35c two of which are guided close to each other and the third is arranged at a relatively large distance.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Moduls 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das elektrische Modul 1 zusätzlich eine Kühlplatte 43 zur Abfuhr von Wärme. Der Großteil der beim Betrieb des Moduls 1 erzeugten Wärme wird in den elektrischen Bauelementen 5 produziert, die hier als Leistungsbauelemente ausgelegt sind. Hierdurch wird das Substrat 3 meist wesentlich wärmer als die übergeordnete Leiterplatte 19. Beispielsweise kann sich das Substrat 3 im Betrieb auf eine Temperatur von etwa 125°C erwärmen, während die Leiterplatte 19 bei einer Temperatur in der Nähe der Raumtemperatur bleibt. Daher ist es wichtig, vor allem das Substrat 3 thermisch gut an die Kühlplatte 43 anzukoppeln. Dazu wird auch in diesem Beispiel das Substrat 3 durch eine passende Aussparung in der Leiterplatte 19 gesteckt, und das Substrat 3 ist im fertig zusammengesetzten Zustand des Moduls 1 auf einer tiefer liegenden Ebene als die Leiterplatte 19 angeordnet. Mit Hilfe eines Haltebügels 49 und seines Verschlusses 51 wird eine Anpresskraft 53 auf eine mechanisch relativ starre Druckplatte 47 und von dieser über die Trägerstruktur 9 auf das Substrat 3 übertragen. Durch diesen Druck liegt eine gute thermische und mechanische Ankopplung des Substrats 3 an die Kühlplatte 43 vor. Auch hier wird der Druck von der Trägerstruktur 9 durch auf der Unterseite 9b angebrachte Vorsprünge 33 auf das Substrat 3 übertragen. In dem in 6 gezeigten Beispiel wird die Leiterplatte 19 durch thermisch und elektrisch isolierende Abstandshalter 45 auf der Kühlplatte 43 gehalten. Die Abstandshalter 45 und die Trägerstruktur 9 sind dabei so dimensioniert, dass kein direkter Druck von der Trägerstruktur 9 auf die Leiterplatte 19 übertragen wird. Vielmehr verbleibt ein kleiner vertikaler Abstand zwischen Trägerstruktur 9 und Leiterplatte, der durch die elektrisch kontaktierenden, in 6 nicht gezeigten Verbindungsleiter 35 überbrückt wird. In diesem Beispiel sind also Leiterplatte 19 und Substrat 3 elektrisch miteinander verbunden, aber thermisch und mechanisch entkoppelt. 6 shows a schematic cross section of a module 1 according to a fourth embodiment of the invention. In this embodiment, the electrical module comprises 1 in addition a cooling plate 43 for the removal of heat. The bulk of the operation of the module 1 generated heat is in the electrical components 5 produced, which are designed here as power components. This will be the substrate 3 usually much warmer than the parent board 19 , For example, the substrate may be 3 during operation to a temperature of about 125 ° C, while the circuit board 19 remains at a temperature near room temperature. Therefore it is important, especially the substrate 3 thermally good to the cooling plate 43 to dock. This is also in this example, the substrate 3 through a matching recess in the circuit board 19 plugged, and the substrate 3 is in the finished assembled state of the module 1 on a lower level than the circuit board 19 arranged. With the help of a retaining clip 49 and his lock 51 becomes a contact force 53 on a mechanically relatively rigid pressure plate 47 and from this via the support structure 9 on the substrate 3 transfer. This pressure is a good thermal and mechanical coupling of the substrate 3 to the cooling plate 43 in front. Again, the pressure from the support structure 9 through on the bottom 9b attached tabs 33 on the substrate 3 transfer. In the in 6 shown example, the circuit board 19 by thermally and electrically insulating spacers 45 on the cooling plate 43 held. The spacers 45 and the support structure 9 are dimensioned so that no direct pressure from the support structure 9 on the circuit board 19 is transmitted. Rather, a small vertical distance remains between the support structure 9 and printed circuit board passing through the electrically contacting, in 6 not shown connecting conductor 35 is bridged. So in this example are printed circuit board 19 and substrate 3 electrically connected but thermally and mechanically decoupled.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Trägerstrukturen 9 können also verschiedene vorteilhafte Funktionalitäten verbinden, insbesondere:

– eine integrierte, niederinduktive Leitungsführung der Verbindungsleiter 35,
– eine Übertragung und Verteilung der Anpresskraft 53 auf das Substrat 3,
– eine vereinfachte relative Positionierung von Substrat 3 und Leiterplatte 19,
– eine mechanische Entkopplung zwischen Substrat 3 und Leiterplatte 19.

The support structures shown in the embodiments 9 can thus combine various advantageous functionalities, in particular:

- An integrated, low-inductive cable routing of the connecting conductor 35 .
- Transmission and distribution of the contact pressure 53 on the substrate 3 .
A simplified relative positioning of substrate 3 and circuit board 19 .
- a mechanical decoupling between substrate 3 and circuit board 19 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 03030247 [0002] WO03030247 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Power Electronics Europe, Issue 5, July/August 2011, S. 1–5 [0004] Power Electronics Europe, Issue 5, July / August 2011, pp. 1-5 [0004]

Claims

Elektrisches Modul (1) mit – einem Substrat (3), auf dem wenigstens ein elektrisches Halbleiterbauelement (5) und wenigstens zwei mit dem Halbleiterbauelement (5) elektrisch verbundene erste Kontaktstellen (7) angeordnet sind, – einer elektrischen Leiterplatte (19) mit wenigstens zwei zweiten Kontaktstellen (27), – und einer elektrisch nichtleitenden Trägerstruktur (9), die mit wenigstens zwei Verbindungsleitern (35) versehen ist, die jeweils eine erste Kontaktstelle (7) mit jeweils einer zweiten Kontaktstelle (27) paarweise elektrisch verbinden. Electric module ( 1 ) with a substrate ( 3 ), on which at least one electrical semiconductor component ( 5 ) and at least two with the semiconductor device ( 5 ) electrically connected first contact points ( 7 ) are arranged, - an electrical circuit board ( 19 ) with at least two second contact points ( 27 ), - and an electrically non-conductive support structure ( 9 ) with at least two connecting conductors ( 35 ), each having a first contact point ( 7 ) each having a second contact point ( 27 ) electrically connect in pairs.

Elektrisches Modul (1) nach Anspruch 1, bei dem die nichtleitende Trägerstruktur (9) zumindest zweidimensional ausgeformt ist. Electric module ( 1 ) according to claim 1, wherein the non-conductive support structure ( 9 ) is formed at least two-dimensionally.

Elektrisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die nichtleitende Trägerstruktur (9) eine Mehrzahl von parallel zu einer Hauptfläche des Substrats (3) verlaufenden Stegen (11, 13) umfasst, wobei die Verbindungsleiter (35) auf wenigstens einem Teil der Stege (11, 13) geführt sind. Electric module ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, in which the non-conductive support structure ( 9 ) a plurality of parallel to a major surface of the substrate ( 3 ) extending webs ( 11 . 13 ), the connecting conductors ( 35 ) on at least part of the bridges ( 11 . 13 ) are guided.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stege (11, 13) der Trägerstruktur (9) eine gitterförmige Anordnung aus einer Mehrzahl von zueinander parallelen Längsstegen (13) und einer Mehrzahl von zueinander parallelen und zu den Längsstegen (13) gewinkelt angeordneten Querstegen (11) ausbilden. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the webs ( 11 . 13 ) of the support structure ( 9 ) a grid-like arrangement of a plurality of mutually parallel longitudinal webs ( 13 ) and a plurality of mutually parallel and to the longitudinal webs ( 13 ) angled arranged transverse webs ( 11 ) train.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsleiter (35) bandförmige Leiter sind, die zumindest jeweils in einem Teilabschnitt plan auf einer Begrenzungsfläche eines Teils der Trägerstruktur (9) aufliegen. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the connecting conductors ( 35 ) are strip-shaped conductors which, at least in each case in a subsection, are planar on a boundary surface of a part of the support structure ( 9 ) rest.

Elektrisches Modul (1) nach Anspruch 5, bei dem die ersten (7) und/oder die zweiten Kontaktstellen (27) als Kontaktflächen ausgebildet sind, und bei dem die bandförmigen Verbindungsleiter (35) flächig mit diesen ersten (7) und/oder zweiten Kontaktflächen (27) verbunden sind. Electric module ( 1 ) according to claim 5, wherein the first ( 7 ) and / or the second contact points ( 27 ) are formed as contact surfaces, and wherein the band-shaped connecting conductor ( 35 ) flat with these first ( 7 ) and / or second contact surfaces ( 27 ) are connected.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein oder mehrere elektrische Halbleiterbauelemente (5) auf einem oder mehreren Substraten (3) umfasst, wobei dem jeweiligen Halbleiterbauelement (5) zumindest ein Paar von Verbindungsleitern (35) zugeordnet ist, das aus einem Hinleiter und einem Rückleiter zur Einbindung des Halbleiterbauelements (5) in einen übergeordneten Stromkreis besteht. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising one or more electrical semiconductor components ( 5 ) on one or more substrates ( 3 ), wherein the respective semiconductor component ( 5 ) at least one pair of connection conductors ( 35 ), which comprises a forward conductor and a return conductor for integrating the semiconductor component ( 5 ) exists in a parent circuit.

Elektrisches Modul (1) nach Anspruch 7, wobei die jeweiligen Paare von Verbindungsleitern (35) eine Leitungs-Induktivität von höchstens 10 nH pro Paar aufweisen. Electric module ( 1 ) according to claim 7, wherein the respective pairs of connecting conductors ( 35 ) have a line inductance of at most 10 nH per pair.

Elektrisches Modul (1) nach Anspruch 7, wobei die beiden Verbindungsleiter (35) eines Paares über die Länge der Verbindung (39) einen Abstand von höchstens 2 mm aufweisen. Electric module ( 1 ) according to claim 7, wherein the two connecting conductors ( 35 ) of a pair over the length of the connection ( 39 ) have a distance of at most 2 mm.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das wenigstens eine elektrische Halbleiterbauelement (5) ein Leistungs-Bauelement (5) ist. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the at least one electrical semiconductor component ( 5 ) a power device ( 5 ).

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Stromrichter-Modul ausgebildet ist. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, which is designed as a power converter module.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Leiterplatte (19) ferner mit einer Steuervorrichtung und/oder einer Anschlussvorrichtung und/oder einer Kondensatoranordnung ausgestattet ist. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the electrical circuit board ( 19 ) is further equipped with a control device and / or a connection device and / or a capacitor arrangement.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leiterplatte (19) mit einer Aussparung (21) zur Aufnahme des Substrats (3) und/oder eines mit dem Substrat (3) verbundenen Teils der Trägerstruktur (9) versehen ist. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the printed circuit board ( 19 ) with a recess ( 21 ) for receiving the substrate ( 3 ) and / or one with the substrate ( 3 ) connected part of the support structure ( 9 ) is provided.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine die ersten Kontaktstellen (7) umfassende Hauptfläche des Substrats (3) und eine die zweiten Kontaktstellen (27) umfassende Hauptfläche der Leiterplatte (19) zueinander parallel angeordnet sind. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which one of the first contact points ( 7 ) comprehensive main surface of the substrate ( 3 ) and one the second contact points ( 27 ) comprehensive main surface of the printed circuit board ( 19 ) are arranged parallel to each other.

Elektrisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (3) und die Leiterplatte (19) auf derselben Seite der Trägerstruktur (9) angeordnet sind. Electric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the substrate ( 3 ) and the printed circuit board ( 19 ) on the same side of the support structure ( 9 ) are arranged.