DE102016006720A1 - power module - Google Patents

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Abstract

Das Leistungsmodul weist zumindest ein Leistungsbauteil sowie einen Fehlerstrompfad auf, welcher zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltkontakt, die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, aufweist, wobei das Leistungsmodul zumindest einen Abstandshalter aufweist, der ersten und zweiten Schaltkontakt voneinander beabstandet, wobei der zumindest eine Abstandhalter zumindest mittels eines exotherm reaktiven Materials gebildet ist.The power module has at least one power component and a fault current path, which has at least one first and one second switching contact, which is acted upon by force, wherein the power module has at least one spacer, the first and second switching contact spaced from each other, wherein the at least one spacer at least is formed by means of an exothermic reactive material.

Description

Die Erfindung betrifft ein LeistungsmodulThe invention relates to a power module

In der Leistungselektronik sind bei zahlreichen Anwendungen Energiewandlung und Energietransport sicherzustellen. Herkömmliche Leistungsmodule sind im Fehler- bzw. im Abschaltversagen nicht sicher elektrisch leitfähig oder nur mit sehr hohem Aufwand dauerhaft (externe Schutzschalter) elektrisch schaltbar.In power electronics, numerous applications require energy conversion and energy transport. Conventional power modules are not sure electrically conductive in fault or shutdown failure or only with great effort durable (external circuit breaker) electrically switchable.

Es sind Leistungsmodule bekannt, bei welchen im thermischen Fehlerfall (Ausdehnung, Explosion) ein sicherer dauerhafter Kontakt zwischen Emitter und Kollektor eines Leistungshalbleiters des Leistungsmoduls sichergestellt ist. Dies wird dadurch gewährleistet, dass mittels eines Feder-vorgespannten Druckstempels im Fehlerfall auf den betreffenden Halbleiterchip gedrückt wird, welcher unter Druck und Temperatur durchlegieren kann (sogenannte „Conduct-on-Fail”-Lösung, kurz: „CoF”).Power modules are known in which a reliable permanent contact between emitter and collector of a power semiconductor of the power module is ensured in the event of a thermal fault (expansion, explosion). This is ensured by the fact that is pressed by a spring-biased plunger in case of failure on the relevant semiconductor chip, which can alloy under pressure and temperature (so-called "Conduct-on-Fail" solution, in short: "CoF").

Das irreversible Auslösen des Stempels wird durch das Schmelzen/Erweichen eines Lotmaterials realisiert, welches im vorhergehenden Normalbetrieb einen Abstandshalter bildet. Erste Tests haben jedoch gezeigt, dass das Auslösen des Stempels viel Zeit benötigt. Ein sicherer und insbesondere schneller Conduct-On-Fail-Fall jedoch erfordert ein sehr schnelles Auslösen, vorzugsweise innerhalb weniger Millisekunden.The irreversible release of the stamp is realized by the melting / softening of a solder material, which forms a spacer in the previous normal operation. However, initial tests have shown that it takes a long time to trigger the stamp. However, a secure and particularly fast conduct-on-fail case requires a very fast trigger, preferably within a few milliseconds.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Leistungsmodul zu schaffen, welches eine im Fehlerfall rasch leitend durchschaltet.It is therefore an object of the invention to provide an improved power module, which switches through a conductive quickly in the event of an error.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with a power module having the features specified in claim 1. Preferred embodiments of the invention are set forth in the appended subclaims, the following description and the drawing.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist mit zumindest einem Leistungsbauteil sowie mit einem Fehlerstrompfad gebildet. Der Fehlerstrompfad weist zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltkontakt, die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, auf. Das Leistungsmodul weist zudem zumindest einen Abstandshalter auf, der ersten und zweiten Schaltkontakt voneinander beabstandet. Dabei ist der zumindest eine Abstandshalter mittels eines exotherm reaktiven Materials gebildet.The power module according to the invention is formed with at least one power component and with a fault current path. The fault current path has at least a first and a second switching contact, which are subjected to force to each other on. The power module also has at least one spacer, the first and second switching contact spaced from each other. In this case, the at least one spacer is formed by means of an exothermic reactive material.

Geeigneterweise ist das Leistungsbauteil ein Leistungshalbleiterelement oder weist ein solches Leistungshalbleiterelement auf.Suitably, the power device is a power semiconductor element or has such a power semiconductor element.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist insbesondere ein mit planarer Aufbau- und Verbindungstechnologie realisiertes Leistungsmodul, vorzugsweise ein IGBT-Modul.The power module according to the invention is in particular a power module realized with planar construction and connection technology, preferably an IGBT module.

Erfindungsgemäß kann mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul ein Conduct-on-Fail-Fall in deutlich geringerer Zeit erreicht werden als bislang bekannt, da bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das exotherm reaktive Material sehr rasch, zweckmäßig innerhalb von wenigen Millisekunden, auslöst. Das exotherm reaktive Material kann sich folglich rasch zersetzen, sodass der Abstandshalter schmelzen oder erweichen oder sich zersetzen kann. Folglich können erster und zweiter Schaltkontakt aufeinander zu bewegt werden, sodass der Fehlerstrompfad bevorzugt bestromt wird. Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter mit einem geringeren Schmelzpunkt oder mit einer geringeren Erweichungstemperatur ausgebildet als Material des Leistungsbauteils.According to the invention, with the power module according to the invention a conduct-on-fail case can be achieved in a much shorter time than hitherto known, since the exothermic reactive material in the power module according to the invention triggers very quickly, expediently within a few milliseconds. The exothermic reactive material can consequently decompose rapidly, so that the spacer can melt or soften or decompose. Consequently, the first and second switching contact can be moved towards each other, so that the fault current path is preferably energized. Conveniently, in the power module according to the invention, the spacer with a lower melting point or with a lower softening temperature is formed as the material of the power component.

Erfindungsgemäß können Kurzschließer und Zusatzgehäuse wegfallen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Durch Reduzierung dieser Komponenten bzw. Materialien ist die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls erhöht.Short circuiters and additional housing can be eliminated according to the invention, which leads to considerable cost savings. By reducing these components or materials, the reliability of the power module according to the invention is increased.

Bevorzugt steht bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter, zumindest ein Teil des Abstandshalters, mit dem Leistungsbauteil in thermischem Kontakt und/oder mit dem Fehlerstrompfad in elektrischem Kontakt. Auf diese Weise kann das exotherm reaktive Material des Abstandshalters im Fehlerfall, also bei ungewöhnlich starkem Stromfluss oder ungewöhnlich starker Hitzeentwicklung zünden und somit den Abstandshalter schmelzen und/oder erweichen und/oder, zumindest teilweise, zersetzen.Preferably, in the case of the power module according to the invention, the spacer, at least a part of the spacer, is in electrical contact with the power component in thermal contact and / or with the fault current path. In this way, the exothermic reactive material of the spacer can ignite in the event of a fault, ie in unusually strong current flow or unusually high heat and thus melt the spacer and / or soften and / or, at least partially, decompose.

Der Abstandshalter wirkt im Normalfall vorteilhaft einer Kraftbeaufschlagung auf das Leistungsbauteil entgegen.In the normal case, the spacer advantageously counteracts the application of force to the power component.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Abstandshalter Teil des Fehlerstrompfads. In dieser Weiterbildung der Erfindung erweicht der Abstandshalter bei beginnender Bestromung des Fehlerstrompfads besonders rasch, sodass erster und zweiter Schaltkontakt miteinander in Kontakt treten können und eine vorzugsweise Bestromung des Fehlerstrompfads leicht sichergestellt werden kann.Preferably, in the power module according to the invention, the spacer is part of the fault current path. In this development of the invention, the spacer softens particularly quickly when current supply to the fault current path starts, so that the first and second switching contacts can come into contact with one another and a preferably energization of the fault current path can be easily ensured.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls weist der Abstandshalter einen mit exotherm reaktivem Material gebildeten Zündpfad auf, welcher in thermischem Kontakt mit dem Leistungsbauteil steht und/oder an dem Leistungsbauteil angeordnet ist. Auf dieser Weise kann der Fehlerfall sehr rasch bei einer ungewöhlich starken Erwärmung des Leistungsmoduls ausgelöst werden.In an advantageous development of the power module according to the invention, the spacer has an ignition path formed with exothermic reactive material, which is in thermal contact with the power component and / or is arranged on the power component. This way you can the error case can be triggered very quickly with an unusually strong heating of the power module.

Vorzugsweise führt das reaktive Material, insbesondere in der Art einer Zündschnur, vom Leistungsbauteil zum Abstandshalter. Vorteilhaft lassen sich so mehrere Leistungsbauteile mit einem einzigen Abstandshalter oder mit einer geringen Anzahl von Abstandhaltern, verbinden. Auf diese Weise kann der Conduct-on-Fail-Fall für eine Vielzahl von Leistungsbauteilen zugleich gewährleistet werden. Insbesondere ist lediglich eine geringe Anzahl von Abstandshaltern erforderlich.The reactive material, in particular in the manner of a fuse, preferably leads from the power component to the spacer. Advantageously, several power components can thus be connected with a single spacer or with a small number of spacers. In this way, the conduct-on-fail case for a variety of power components can be guaranteed at the same time. In particular, only a small number of spacers is required.

Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das zumindest eine Leistungsbauteil an einen Betriebsstrompfad angebunden, welcher eine Überstromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, aufweist.In the power module according to the invention, the at least one power component is particularly preferably connected to an operating current path, which has an overcurrent protection, in particular a safety fuse.

In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls lässt sich ein Conduct-On-Fail-Fall besonders zuverlässig erreichen, indem durch den fließenden Strom der im Normalbetrieb vorgesehene, bestehende Betriebsstrompfad mittels der Überstromsicherung versagt, sodass der fließende Strom auf den Fehlerstrompfad überspringen muss. Zweckmäßig führt dazu der im Normalbetrieb vorgesehene Betriebsstrompfad über dünne Leiterquerschnitte, insbesondere über zumindest eine dünne planare Leitungsverbindung und/oder über einen Bond und/oder Bonddraht.In this development of the power module according to the invention, a conduct-on-fail case can be achieved particularly reliably by failing by the current flowing, provided in normal operation, existing operating current path by means of overcurrent protection, so that the flowing current must skip to the fault current path. The operating current path provided in normal operation expediently leads via thin conductor cross sections, in particular via at least one thin planar line connection and / or via a bonding and / or bonding wire.

Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das exotherm reaktive Material mit nanogeschichteten Materialen gebildet, insbesondere mit aufeinanderfolgend welchselnden Schichten und/oder mit einem Sprengstoff und/oder mit zumindest einem Treib- und/oder Schießstoff und/oder mittels zumindest eines Zündmittels und/oder pyrotechnischen Erzeugnisses gebildet.Conveniently, in the power module according to the invention the exothermic reactive material is formed with nano-coated materials, in particular with successively alternating layers and / or with an explosive and / or with at least one blowing and / or shooting substance and / or by means of at least one ignition and / or pyrotechnic product educated.

Insbesondere ist das reaktive Material mit nanogeschichteten Materialien mit aufeinanderfolgend wechselnden Schichten von Ni und Al und/oder von NiV und Al und/oder von Ti und B, und/oder von Ti und C und/oder von Ti und Si und/oder von Ti und Ni und/oder von Ti und Al und/oder von Zr und Al und/oder von Pd und Al und/oder von Pt und Al und/oder von sonstigen welchselnden Materialfolgen gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das reaktive Material mit einem Sprengstoff mit thermodynamisch wenig stabilen Verbindungen, vorzugsweise mit Nitrogruppen wie Nitroglycerin, gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich weist das reaktive Material Treib- und/oder Schießstoffe in Form von Schwarzpulver und/oder Schießpulver und/oder Treibladungspulver auf.In particular, the reactive material is nano-coated materials having successively alternating layers of Ni and Al and / or NiV and Al and / or Ti and B, and / or Ti and C and / or Ti and Si and / or Ti and Ni and / or Ti and Al and / or Zr and Al and / or Pd and Al and / or Pt and Al and / or other alternating material sequences. Alternatively or additionally, the reactive material may be formed with an explosive having thermodynamically less stable compounds, preferably nitro groups such as nitroglycerin. Alternatively or additionally, the reactive material comprises propellants and / or guns in the form of black powder and / or gunpowder and / or propellant charge powder.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul sind in einer bevorzugten Weiterbildung erster und zweiter Schaltkontakt mittels eines Federelements aufeinander zu kraftbeaufschlagt.In the case of the power module according to the invention, in a preferred embodiment, the first and second switching contacts are subjected to force applied to one another by means of a spring element.

Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der erste Schaltkontakt mittels einer Durchstechanordnung gebildet und es sind erster und zweiter Schaltkontakt mittels einer solchen Isolierschicht voneinander elektrisch isoliert, welche mittels der Durchstechanordnung durchstechbar ist. Auf diese Weise ist der Fehlerstrompfad im Normalbetrieb besonders durchschlagfest.In the power module according to the invention, the first switching contact is particularly preferably formed by means of a piercing arrangement, and the first and second switching contacts are electrically insulated from one another by means of such an insulating layer, which can be pierced by means of the piercing arrangement. In this way, the fault current path in normal operation is particularly resistant to breakdown.

Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der zumindest eine Abstandshalter mit einem oder mehreren schmelzbaren und/oder erweichbarem elektrisch leitfähigen Material(ien), insbesondere mit einem oder mehreren Loten und/oder einem oder mehreren Metallen und/oder exotherm reaktivem Material gebildet.The at least one spacer is expediently formed with one or more fusible and / or softenable electrically conductive material (s), in particular with one or more solders and / or one or more metals and / or exothermic reactive material.

Alternativ kann der zumindest eine Abstandshalter mit lediglich dem reaktiven Material gebildet sein, wobei dieses reaktive Material in dieser Weiterbildung der Erfindung entweder selbst nach reaktiver Zündung elektrisch leitfähig ist und/oder die mittels des Abstandshalters beabstandeten Elemente, insbesondere Kupfer im Falle eines mit Kupfer gebildeten Druckstempels, miteinander verschmelzen lässt.Alternatively, the at least one spacer may be formed with only the reactive material, wherein this reactive material in this embodiment of the invention is electrically conductive even after reactive ignition and / or spaced by means of the spacer elements, in particular copper in the case of a pressure stamp formed with copper , merge together.

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist insbesondere mittels eines Federsystems wie aus Druckschrift DE 10 2014 207 928 A1 bekannt oder mittels einer Spannvorrichtung wie aus Druckschrift DE 10 2014 208 174 A1 bekannt realisiert. Der Ottenbarungsgehalt dieser beider Druckschriften sei daher ausdrücklich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen.The power module according to the invention is in particular by means of a spring system as from document DE 10 2014 207 928 A1 known or by means of a clamping device as in publication DE 10 2014 208 174 A1 realized realized. The Ottenbarungsgehalt these two documents is therefore expressly included in the present patent application.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul schematisch im Querschnitt, 1 a power module according to the invention schematically in cross-section,

2 eine Einzelheit des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls gemäß 1 schematisch im Querschnitt, 2 a detail of the power module according to the invention according to 1 schematically in cross-section,

3 das Leistungsmodul gem. 1 und 2 in einem Fehlerfall schematisch im Querschnitt, 3 the power module acc. 1 and 2 in an error case schematically in cross-section,

4 das Leistungsmodul gem. 1 und 2 nach Schmelzen von Abstandshaltern des Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt, 4 the power module acc. 1 and 2 after melting of spacers of the power module schematically in cross-section,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt, 5 a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section,

6 eine Einzelheit des Leistungsmoduls gem. 5 schematisch im Querschnitt, 6 a detail of the power module acc. 5 schematically in cross-section,

7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt und 7 a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section and

8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch im Querschnitt. 8th a further embodiment of a power module according to the invention schematically in cross section.

Das in 1 dargestellte Leistungsmodul 10 umfasst ein DCB-Substrat 20 (DCB = engl. „Direct Copper Bonded”) (bestehend aus einem aus Aluminiumnitrid (AlN) gebildeten Flachteil 22, welches an beiden einander abgewandten Flachseiten jeweils mit einer Kupferschicht 24, 26 beschichtet ist) mit einem Halbleiterchip 30. Der Halbleiterchip 30 ist mittels planarer Verbindungstechnik in Gestalt einer planaren Kupferleiterbahn 40 emitterseitig elektrisch angebunden. Die Kupferleiterbahn 40 kontaktiert den Halbleiterchip 30 an einen Lastanschluss (hier lediglich symbolisiert mittels der Richtung R) an. Oberhalb der Kupferleiterbahn 40 umfasst das Leistungsmodul 10 einen Druckstempel 50, welcher mittels einer Druckfeder 60 in Richtung auf die Kupferleiterbahn 40 kraftbeaufschlagt ist. Der Druckstempel 50 ist in seinem Abstand zur Kupferleiterbahn 40 mittels eines Abstandshalters 70 fixiert, welcher den um seine Bewegungsrichtung zylindersymmetrischen Druckstempel 50 vollumfänglich in der Art eines Kreisrings umgibt und in einer Druckstempelführung 80 relativ zu dieser festlegt. Die Druckfeder 60 stützt sich an einem Teil der Druckstempelführung 80 ab. Der Abstandshalter 70 ist als Lotmaterial 85 mit einer innenliegenden Schicht 90 reaktiven Materials ausgebildet, welcher den Druckstempel 50 mit der Druckstempelführung 80 festlegt. Somit spannt die Druckfeder 60 zusammenwirkend mit dem Abstandshalter 70 den Druckstempel 50 vor. Das reaktive Material ist eines der in der vorhergehenden Beschreibung genannten exotherm reaktiven Materialien.This in 1 illustrated power module 10 includes a DCB substrate 20 (DCB = "Direct Copper Bonded") (consisting of a flat part formed of aluminum nitride (AlN) 22 , which on both opposite flat sides each with a copper layer 24 . 26 coated) with a semiconductor chip 30 , The semiconductor chip 30 is by means of planar connection technology in the form of a planar copper conductor track 40 electrically connected on the emitter side. The copper track 40 contacts the semiconductor chip 30 to a load connection (here only symbolized by the direction R). Above the copper track 40 includes the power module 10 a printing stamp 50 , which by means of a compression spring 60 towards the copper track 40 is charged with force. The printing stamp 50 is in its distance to the copper track 40 by means of a spacer 70 fixed, which is the cylindrically symmetric around its movement pressure stamp 50 surrounds completely in the manner of a circular ring and in a pressure punch guide 80 relative to this determines. The compression spring 60 relies on a part of the pressure punch guide 80 from. The spacer 70 is as a solder material 85 with an inner layer 90 formed of reactive material, which the plunger 50 with the pressure punch guide 80 sets. Thus, the compression spring tensioned 60 interacting with the spacer 70 the plunger 50 in front. The reactive material is one of the exothermic reactive materials mentioned in the foregoing description.

Der Druckstempel 50 bildet mit der Kupferleiterbahn 40 einen Luftspalt 72 aus, sodass ein Stromfluss von der Kupferleiterbahn 40 in den Druckstempel 50 im Normalbetrieb verhindert ist.The printing stamp 50 forms with the copper conductor track 40 an air gap 72 out, allowing a current flow from the copper track 40 in the printing stamp 50 prevented in normal operation.

Im Fehlerfall kann aufgrund eines Defekts 75 des Halbleiterchips 30 die Sperrspannung nicht mehr aufrechterhalten werden, sodass sich ein in der Zeichnung nicht gezeigter Kondensator über den Halbleiterchip 30 vollständig entlädt und folglich der Halbleiterchip 30 schmilzt oder verdampft. Dies verursacht ein komplettes Schmelzen oder sogar Verdampfen der planaren Kupferleiterbahn 40. Im dargestellten Ausführungsbeispiel schmilzt die Kupferleiterbahn 40 an einer Stelle 82 vollständig auf (3), sodass der Strom über die Kupferleiterbahn 40 nicht mehr abfließen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel evaporiert der Halbleiterchip 30 nicht, sondern bleibt in teils geschmolzener Gestalt erhalten.In case of error, due to a defect 75 of the semiconductor chip 30 the blocking voltage can not be maintained, so that a not shown in the drawing capacitor on the semiconductor chip 30 completely discharges and therefore the semiconductor chip 30 melts or evaporates. This causes complete melting or even evaporation of the planar copper trace 40 , In the illustrated embodiment, the copper interconnect melts 40 at one point 82 completely on ( 3 ), so the electricity over the copper track 40 can not drain anymore. In the illustrated embodiment, the semiconductor chip evaporates 30 not, but remains preserved in a partly molten form.

Aufgrund des Aufschmelzens der Kupferleiterbahn 40 ist diese Kupferleiterbahn 40 unterbrochen und es bildet sich ein neuer Strompfad in Gestalt eines Plasmapfades 87 aus, welcher den Luftspalt 72 in den Druckstempel 50 hinein überwindet (3). Der Strom 89 passiert den Druckstempel 50 und fließt über den Abstandshalter 70 in die Druckstempelführung 80 ab.Due to the melting of the copper track 40 is this copper track 40 interrupted and it forms a new current path in the form of a plasma path 87 out, which the air gap 72 in the printing stamp 50 overcomes ( 3 ). The current 89 happens the plunger 50 and flows over the spacer 70 in the pressure punch guide 80 from.

Infolge der Stromleitung über den Abstandshalter 70 zündet das reaktive Material des Abstandshalters 70 (entweder über den hohen Stromfluss oder infolge der raschen Hitzeentwicklung infolge des ohmschen Widerstandes) und zersetzt dieses mittels einer exothermen Reaktion vollständig. Daher schmilzt auch das Lotmaterial des Abstandshalters 70, sodass sich die vorgespannte Druckfeder 60 entspannt. Folglich presst die Druckfeder 60 den Druckstempel 50 auf das DCB-Substrat 20 sowie den – im dargestellten Ausführungsbeispiel noch vorhandenen – Halbleiterchip 30 zu. Unter Druck- und Temperatureinfluss kann der Druckstempel 50 durchlegieren, sodass ein neuer dauerhaft stabiler Strompfad 100 in Richtung R' zu einem Lastanschluss (nicht dargestellt) über einen massiven elektrischen Leiter sichergestellt ist.As a result of the power line over the spacer 70 ignites the reactive material of the spacer 70 (either via the high current flow or due to the rapid heat development due to the ohmic resistance) and decomposes this completely by means of an exothermic reaction. Therefore, the solder material of the spacer also melts 70 , so that the preloaded compression spring 60 relaxed. Consequently, the compression spring presses 60 the plunger 50 on the DCB substrate 20 as well as - still present in the illustrated embodiment - semiconductor chip 30 to. Under pressure and temperature influence, the plunger 50 permeate, so that a new permanently stable current path 100 in the direction of R 'to a load terminal (not shown) via a solid electrical conductor is ensured.

Der Druckstempel 50 ist in seiner Druckstempelführung 80 in seiner Bewegung vom DCB-Substrat 20 fort formschlüssig arretiert.The printing stamp 50 is in his pressure stamp guide 80 in its movement from the DCB substrate 20 fort positively locked.

Das in 5 dargestellte erfindungsgemäße Leistungsmodul 10' ist ähnlich dem vorhergehend beschriebenen erfindungssgemäßen Leistungsmodul 10 aufgebaut und weicht in folgenden Merkmalen von dem vorhergehend beschriebenen Leistungsmodul ab:
Anstelle des Luftspalts 72 befindet sich im in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Druckstempel 50 und Kupferleiterbahn 40 ein leitfähiges weiches Material, etwa ein Metallschwamm, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kupferschwamm 110. Auf diese Weise wird der Strom im Fehlerfall besonders effizient von der Kupferleiterbahn 40 über den Kupferschwamm 110 in den Druckstempel 50 geleitet. Um jedoch eine Zündung des reaktiven Materials 90 des Abstandshalters 70 zu verhindern ist das reaktive Material vom Druckstempel 50 mittels einer dünnen Isolierschicht 120 elektrisch isoliert. Die Isolierschicht 120 ist oberflächlich auf den Druckstempel 50 in einem dem Abstandshalter 70 nahen Bereich aufgebracht (6). Die Isolierschicht 120 unterbricht den elektrischen Strompfad zwischen Druckstempel 50 und Druckstempelführung 80, sodass im Normalfall das reaktive Material 90 des Abstandshalters 70 nicht zündet.This in 5 illustrated power module according to the invention 10 ' is similar to the previously described inventive power module 10 and differs from the previously described power module in the following features:
Instead of the air gap 72 is located in 5 illustrated embodiment between plunger 50 and copper track 40 a conductive soft material, such as a metal sponge, in the illustrated embodiment, a copper sponge 110 , In this way, the current in the event of a fault is particularly efficient from the copper track 40 over the copper sponge 110 in the printing stamp 50 directed. However, to ignite the reactive material 90 of the spacer 70 To prevent is the reactive material from the plunger 50 by means of a thin insulating layer 120 electrically isolated. The insulating layer 120 is superficial on the plunger 50 in a spacer 70 applied near area ( 6 ). The insulating layer 120 interrupts the electrical current path between plunger 50 and pressure punch guide 80 so that normally the reactive material 90 of the spacer 70 does not ignite.

In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, ist das reaktive Material ein reaktives Material, welches erst oberhalb der bei Normalbetrieb vorherrschenden Bedingungen zündet, nämlich erst oberhalb eines Stromflusses von 50 A. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 120 verzichtbar.In another, not specifically illustrated embodiment, which otherwise corresponds to the embodiment described above, the reactive material is a reactive material which ignites only above the prevailing conditions under normal operation, namely only above a current flow of 50 A. In this embodiment, the insulating 120 dispensable.

Das in 7 dargestellte erfindungsgemäße Leistungsmodul 10'' ist ähnlich dem vorhergehend beschriebenen erfindungsgemäßen Leistungsmodul 10 aufgebaut und weicht in folgenden Merkmalen von dem vorhergehend beschriebenen Leistungsmodul ab: Im Gegensatz zum Leistungsmodul 10 sind bei dem Leistungsmodul 10'' der 7 der Druckstempel 50, die Druckfeder 60, die Druckstempelführung 80 nicht oberhalb der Kupferleiterbahn 40 angeordnet, sondern in einer Haupterstreckungsrichtung des DCB-Substrats 20 beabstandet. Das reaktive Material 90' beschränkt sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht allein auf eine in Lotmaterial 85 eingebrachte innenliegende Schicht 90, sondern das reaktive Material 90'' ist zudem aus dem Abstandshalter 70'' durch einen Kanal der Druckstempelführung 80 herausgeführt und in Richtung einer Haupterstreckungsrichtung des DCB-Substrats 20 an der Kupferleiterbahn 40 entlang und mittels eines Luftspalts 72'' von diesem beabstandet geführt. Der Abstand zwischen reaktivem Material 90'' und Kupferleiterbahn 40 ist derart gering gewählt, dass im Fehlerfall das reaktive Material 90' zündet. Infolge der Zündung des reaktiven Materials 90'' wird schließlich die in Lotmaterial 85 eingebrachte innenliegende Schicht reaktiven Materials 90 gezündet und somit schließlich der Abstandshalter 70'' zwischen Druckstempel 50 und Druckstempelführung 80 zersetzt. Folglich wird der Druckstempel 50 auf das DCB-Substrat 20 gedrückt und stellt dort einen elektrischen Leitungskontakt her. Der im Normalbetrieb zwischen Druckstempel 50 und DCB-Substrat 20 bestehende Abstand ist hinreichend hoch, dass der durch diesen Abstand gebildete Luftspalt 130 eine hinreichende Durchschlagfestigkeit im Normalbetrieb aufweist.This in 7 illustrated power module according to the invention 10 '' is similar to the previously described power module according to the invention 10 and deviates from the power module described above in the following features: in contrast to the power module 10 are at the power module 10 '' of the 7 the plunger 50 , the compression spring 60 , the pressure stamp guide 80 not above the copper track 40 but arranged in a main direction of extension of the DCB substrate 20 spaced. The reactive material 90 ' is limited in this embodiment not only one in solder 85 introduced inner layer 90 but the reactive material 90 '' is also from the spacer 70 '' through a channel of the pressure punch guide 80 led out and in the direction of a main extension direction of the DCB substrate 20 at the copper track 40 along and by means of an air gap 72 '' led away from this. The distance between reactive material 90 '' and copper track 40 is chosen so small that in case of failure, the reactive material 90 ' ignites. As a result of ignition of reactive material 90 '' will eventually be the one in solder 85 introduced inner layer of reactive material 90 ignited and thus finally the spacer 70 '' between plunger 50 and pressure punch guide 80 decomposed. Consequently, the plunger becomes 50 on the DCB substrate 20 pressed and establishes an electrical line contact. In normal operation between plunger 50 and DCB substrate 20 existing distance is sufficiently high that the air gap formed by this distance 130 has a sufficient dielectric strength in normal operation.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Leistungsmodul 10''' gleicht dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul 10'', wie es zuvor beschrieben ist. Im Unterschied zum Leistungsmodul 10'' weist der Druckstempel 50 an seiner dem DCB-Substrat zugewandten Seite keine Flachseite, sondern eine kegelförmige Spitze 140 auf, welche das DCB-Substrat im Fehlerfall kontaktiert. Dazu ist das DCB-Substrat entlang desjenigen Flächenabschnitts, auf welchen der Druckstempel 50 mittels der Druckfeder 60 hin kraftbeaufschlagt ist, mit einer Isolierschicht 150 oberflächlich beschichtet, die hinreichend weich ausgebildet ist, dass die Isolierschicht von der Spitze 140 durchdrungen werden kann. Somit gewährleistet die Isolierschicht 150 in diesem Ausführungsbeispiel eine hinreichende Durchschlagsfestigkeit, während die Spitze 140 im Fehlerfall den Leitungskontakt mit dem DCB-Substrat 20 herstellen kann.Another inventive power module 10 ''' is similar to the power module according to the invention 10 '' as described above. Unlike the power module 10 '' indicates the plunger 50 on its side facing the DCB substrate, no flat side, but a conical tip 140 which contacts the DCB substrate in the event of a fault. For this purpose, the DCB substrate is along the surface portion on which the plunger 50 by means of the compression spring 60 is subjected to force, with an insulating layer 150 coated on the surface, which is sufficiently soft, that the insulating layer of the top 140 can be penetrated. Thus, the insulating layer ensures 150 in this embodiment, a sufficient dielectric strength, while the tip 140 in the event of a fault, the line contact with the DCB substrate 20 can produce.

Soweit in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen von planarer Verbindungstechnik die Rede ist, kann die jeweilige Verbindungstechnik in weiteren, nicht eigens beschriebenen Ausführungsbeispielen alternativ oder zusätzlich mittels Bonddrähten realisiert sein.As far as in the previously described embodiments of planar connection technology is mentioned, the respective connection technology in other not specifically described embodiments may alternatively or additionally be realized by means of bonding wires.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014207928 A1 [0025] DE 102014207928 A1 [0025]
  • DE 102014208174 A1 [0025] DE 102014208174 A1 [0025]

Claims (11)

Leistungsmodul mit zumindest einem Leistungsbauteil sowie mit einem Fehlerstrompfad, welcher zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltkontakt, die aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind, aufweist, wobei das Leistungsmodul zumindest einen Abstandshalter aufweist, der ersten und zweiten Schaltkontakt voneinander beabstandet, wobei der zumindest eine Abstandhalter zumindest mittels eines exotherm reaktiven Materials gebildet ist.Power module having at least one power component and having a fault current path, which at least a first and a second switching contact, which is acted upon kraftbetätagt, wherein the power module has at least one spacer, the first and second switching contact spaced from each other, wherein the at least one spacer at least by means of an exothermic reactive material is formed. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Leistungsbauteil den zweiten Schaltkontakt aufweist oder leitend mit dem zweiten Schaltkontakt verbunden ist.Power module according to the preceding claim, wherein the power component comprises the second switching contact or is conductively connected to the second switching contact. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der Abstandshalter mit dem Leistungsbauteil in thermischem Kontakt und/oder mit dem Fehlerstrompfad in elektrischem Kontakt steht.A power module according to the preceding claim, wherein the spacer is in electrical contact with the power device in thermal contact and / or with the fault current path. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Abstandshalter Teil des Fehlerstrompfads ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the spacer is part of the fault current path. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Abstandshalter einen mit exotherm reaktivem Material gebildeten Zündpfad aufweist, welcher in thermischem Kontakt mit dem Leistungsbauteil steht und/oder an dem Leistungsbauteil angeordnet ist.Power module according to one of the preceding claims, wherein the spacer comprises an ignition path formed with exothermic reactive material, which is in thermal contact with the power component and / or arranged on the power component. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das zumindest eine Leistungsbauteil an einen Betriebsstrompfad angebunden ist, welcher eine Überstromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, aufweist.Power module according to one of the preceding claims, wherein the at least one power component is connected to an operating current path, which has an overcurrent protection, in particular a fuse. Leistungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Überstromsicherung mittels zumindest eines Bonddrahts und/oder mittels einer planaren Leitungsverbindung gebildet ist.Power module according to the preceding claim, in which the overcurrent protection is formed by means of at least one bonding wire and / or by means of a planar line connection. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das exotherm reaktive Material mit nanogeschichteten Materialen gebildet, insbesondere mit aufeinanderfolgend welchselnden Schichten und/oder mit einem Sprengstoff und/oder mit zumindest einem Treib- und/oder Schießstoff und/oder mittels zumindest eines Zündmittels und/oder pyrotechnischen Erzeugnisses gebildet ist.Power module according to one of the preceding claims, in which the exothermic reactive material is formed with nano-coated materials, in particular with successively alternating layers and / or with an explosive and / or with at least one blowing and / or shooting substance and / or by means of at least one ignition means and / or or pyrotechnic article is formed. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erster und zweiter Schaltkontakt mittels eines Federelements aufeinander zu kraftbeaufschlagt sind.Power module according to one of the preceding claims, wherein first and second switching contact by means of a spring element to each other are subjected to force. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der erste Schaltkontakt mittels einer Durchstechanordnung gebildet ist und erster und zweiter Schaltkontakt mittels einer Isolierschicht voneinander elektrisch isoliert sind, welche mittels der Durchstechanordnung durchstechbar ist.Power module according to one of the preceding claims, wherein the first switching contact is formed by means of a piercing arrangement and first and second switching contact are electrically insulated from each other by means of an insulating layer, which is pierceable by means of the piercing arrangement. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zumindest eine Abstandshalter mit einem oder mehreren schmelzbaren und/oder erweichbarem/n elektrisch leitfähigen Material(ien), insbesondere mit einem oder mehreren Loten und/oder einem oder mehreren Metallen und/oder exotherm reaktivem Material gebildet ist.Power module according to one of the preceding claims, wherein the at least one spacer with one or more fusible and / or softenable / electrically conductive material (s), in particular with one or more solders and / or one or more metals and / or exothermic reactive material is formed.
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