DE102016104283A1 - Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse (2), mit einem, aus einem Elastomer ausgebildeten, elastischen Verformungselement (30) und mit im Gehäuse (2) angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (T1, T2), die mit einem Folienverbund (5) elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Folienverbund (5) eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte erste Folie (6) und eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte zweite Folie (7) und eine zwischen der ersten und der zweiten Folie (6, 7) angeordnete elektrisch nicht leitende dritte Folie (8) aufweist, wobei das Gehäuse eine Öffnung (33) aufweist, durch die ein Abschnitt des Folienverbunds (5) geführt ist, wobei der Folienverbund, zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung (17, 17‘), von Außerhalb des Gehäuses zugängliche elektrisch leitende erste und zweite Folienverbundkontaktflächen (5a, 5b) aufweist, die jeweilig in Form eines Oberflächenbereichs des Folienverbunds vorliegen, wobei das Verformungselement (30) zwischen einer Außenseite des Gehäuses und der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse.
  • Aus der DE 10 2012 218 868 B3 ist aus 6 und zugehöriger Beschreibung ein Leistungshalbleitermodul bekannt, das Leistungshalbleiterbauelemente, ein Substrat, einen Folienverbund und, zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung, ein erstes und ein zweites Laststromanschlusselement aufweist, wobei der Folienverbund, eine erste metallische Folienschicht und eine strukturierte zweite metallische Folienschicht und eine zwischen der ersten und der zweiten metallischen Folienschicht angeordnete elektrisch isolierende Folienschicht aufweist, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente mit dem Folienverbund und mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden sind, wobei das zweite Laststromanschlusselement mit der ersten metallischen Folienschicht einstückig ausgebildet ist, wobei zwischen einem ersten Abschnitt des ersten Laststromanschlusselements und dem zweiten Laststromanschlusselement ein Abschnitt der elektrisch isolierenden Folienschicht angeordnet ist. Die Laststromanschlusselemente werden mittels Schraubverbindungen, welche durch in die Lastanschlusselemente einbrachte Durchgangslöcher hindurch verlaufen, mit der Verbindungselementeinrichtung elektrisch leitend kontaktiert.
  • Die elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und der elektrischen Verbindungselementeinrichtung weisen parasitäre Induktivitäten auf, die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls zu Überspannungen an den Leistungshalbleiterbauelementen führen können. Zur Minimierung der Überspannungen ist ein besonders niederinduktiver Aufbau des Leistungshalbleitermoduls und eine zuverlässige niederinduktive elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls mit der elektrischen Verbindungselementeinrichtung wünschenswert.
  • Das aus der DE 10 2012 218 868 B3 bekannte Leistungshalbleitermodul weist den Nachteil auf, dass das erste Laststromanschlusselement und die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Laststromanschlusselement und der Verbindungselementeinrichtung eine relativ hohe parasitäre Induktivität aufweisen. Weiterhin können bei der Verbindung der Laststromanschlusselemente mit der Verbindungselementeinrichtung hohe Kräfte auf das zweite Laststromanschlusselement, d.h. auf die erste metallische Folienschicht auftreten, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung der ersten metallischen Folienschicht führen kann. Weiterhin kann es aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Laststromanschlusselemente und der Verbindungselementeinrichtung und bei mechanischen Stoß- und Schwingungsbelastungen der betreffenden Elemente zu einem Versagen der elektrisch leitenden Kontaktierung der Laststromanschlusselemente mit der Verbindungselementeinrichtung kommen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, das einen besonders niederinduktiven Aufbau aufweist und das zuverlässig niederinduktiv mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung elektrisch kontaktierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, mit einem, aus einem Elastomer ausgebildeten, elastischen Verformungselement und mit im Gehäuse angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, die mit einem Folienverbund elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Folienverbund eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte erste Folie und eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte zweite Folie und eine zwischen der ersten und der zweiten Folie angeordnete elektrisch nicht leitende dritte Folie aufweist, wobei das Gehäuse eine Öffnung aufweist, durch die ein Abschnitt des Folienverbunds geführt ist, wobei der Folienverbund, zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung, von Außerhalb des Gehäuses zugängliche elektrisch leitende erste und zweite Folienverbundkontaktflächen aufweist, die jeweilig in Form eines Oberflächenbereichs des Folienverbunds vorliegen, wobei das Verformungselement zwischen einer Außenseite des Gehäuses und der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Elastomer als Silikon, insbesondere als vernetzter Liquid Silicone Rubber oder als vernetzter Solid Silicone Rubber, ausgebildet ist, da ein Silikon gute elastische Eigenschaften und speziell ein vernetzter Liquid Silikon Rubber oder ein vernetzter Solid Silicone Rubber sehr gute elastische Eigenschaften aufweist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verformungselement mit der Außenseite des Gehäuses stoffschlüssig verbunden ist, da eine stoffschlüssige Verbindung eine besonders zuverlässige Form der Verbindung darstellt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verformungselement eine reliefarte Struktur mit mindestens zwei Höhenstufen aufweist. Hierdurch können, falls die ersten und zweiten Verbindungskontaktflächen der Verbindungselementeinrichtung einen unterschiedlichen Abstand zu der Außenseite des Gehäuses aufweisen, der unterschiedliche Abstand mittels der Struktur des Verformungselements ausgeglichen werden, so dass der jeweilige Druck mit dem die jeweilige Druckkontaktierung der jeweiligen Folienverbundkontaktfläche mit der jeweiligen Verbindungskontaktfläche realisiert ist, bei beiden Druckkontaktierungen näherungsweise gleich ist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Folienverbundhalteeinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Folienverbund derart zu halten, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen auf dem Verformungselement anliegend fixiert angeordnet sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche auch im Falle von mechanischen Stoß- und Schwingungsbelastungen zuverlässig über dem Verformungselement angeordnet verbleiben.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Außenseite des Gehäuses durch ihren geometrischen Verlauf eine Vertiefung im Gehäuse ausbildet, wobei das Verformungselement auf einer Bodenfläche der Vertiefung angeordnet ist. Die Vertiefung stellt einen mechanischen Schutz gegen eventuell versehentlich lateral, z.B. bei der Montage des Leistungshalbleitermoduls, auf das Verformungselement einwirkende Gegenstände dar.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn zumindest in einem Zustand bei dem das Leistungshalbleitermodul nicht mit der externen elektrischen Verbindungselementeinrichtung elektrisch leitend kontaktiert ist, das Verformungselement in Normalenrichtung der Bodenfläche der Vertiefung eine derartige Höhe aufweist, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche außerhalb der Vertiefung angeordnet sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Verbindungselementeinrichtung eine flache geometrische Form aufweisen kann und damit besonders niederinduktiv ausgebildet sein kann.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Öffnung des Gehäuses in die Vertiefung einmündet. Hierdurch ist der im Bereich der Öffnung angeordnete Abschnitt des Folienverbunds sehr gut gegen von außen einwirkende mechanische Belastungen geschützt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Vertiefung eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Endabschnitts des Folienverbunds ausbildet. Hierdurch ist der Endabschnitt des Folienverbunds sehr gut gegen von außen einwirkende mechanische Belastungen geschützt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Folienverbundhalteeinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Folienverbund derart zu halten, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen auf dem Verformungselement anliegend fixiert angeordnet sind, wobei die Folienverbundhalteeinrichtung ein erstes Halteelement aufweist, das den Endabschnitt des Folienverbunds in der Aufnahmeeinrichtung festhält. Hierdurch wird der Endabschnitt des Folienverbunds zuverlässig in der Aufnahmeeinrichtung gehalten.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Folienverbundhalteeinrichtung ein im Bereich der Öffnung des Gehäuses angeordnetes zweites Halteelement aufweist, das den Folienverbund im Bereich der Öffnung des Gehäuses festhält. Hierdurch wird der im Bereich der Öffnung angeordnete Abschnitt des Folienverbunds zuverlässig im Bereich der Öffnung des Gehäuses gehalten.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verformungselement einstückig ausgebildet ist oder aus mindestens zwei separaten Teilkörpern besteht, wobei ein erster Teilkörper des Verformungselements zwischen der Außenseite des Gehäuses und der ersten Folienverbundkontaktfläche und ein zweiter Teilkörper des Verformungselements zwischen der Außenseite des Gehäuses und der zweiten Folienverbundkontaktfläche angeordnet ist. Wenn das Verformungselement einstückig ausgebildet ist, kann das Verformungselement besonders einfach hergestellt werden. Wenn das Verformungselement aus mindestens zwei separaten Teilkörpern besteht, kann Material zur Ausbildung des Verformungselements eingespart werden.
  • Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul und mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung, die eine elektrisch leitende erste Verbindungskontaktfläche und eine von der ersten Verbindungskontaktfläche elektrisch isoliert angeordnete elektrisch leitende zweite Verbindungskontaktfläche aufweist, wobei die erste Verbindungskontaktfläche gegen die erste Folienverbundkontaktfläche des Leistungshalbleitermoduls, in Richtung auf das Verformungselement des Leistungshalbleitermodul zu, gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Verbindungskontaktfläche mit der ersten Folienverbundkontaktfläche elektrisch leitend druckkontaktiert ist, wobei die zweite Verbindungskontaktfläche gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche des Leistungshalbleitermoduls, in Richtung auf das Verformungselement des Leistungshalbleitermodul zu, gedrückt angeordnet ist und hierdurch die zweite Verbindungskontaktfläche mit der zweiten Folienverbundkontaktfläche elektrisch leitend druckkontaktiert ist, als vorteilhaft, da dann das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul sehr niederinduktiv und zuverlässig mit der Verbindungselementeinrichtung elektrisch leitend kontaktiert ist und die Leistungshalbleitereinrichtung einen sehr niederinduktiven Aufbau aufweist.
  • Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungselementeinrichtung als Leiterplatte ausgebildet ist und die erste und zweite Verbindungskontaktfläche durch Oberflächenbereiche von mindestens einer elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte gebildet sind, da dann das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul sehr niederinduktiv und zuverlässig mit der Verbindungselementeinrichtung elektrisch leitend kontaktiert ist.
  • Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungselementeinrichtung als Stromschienenanordnung, die eine elektrisch leitende erste Stromschiene und eine, mittels einer elektrischen nicht leitenden Isolationsschicht der Stromschienenanordnung von der ersten Stromschiene elektrisch isoliert angeordnete, elektrisch leitende zweite Stromschiene aufweist, wobei die erste Verbindungskontaktfläche durch einen Oberflächenbereich der ersten Stromschiene und die zweite Verbindungskontaktfläche durch einen Oberflächenbereich der zweiten Stromschiene gebildet sind, da dann das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul sehr niederinduktiv und zuverlässig mit der Verbindungselementeinrichtung elektrisch leitend kontaktiert ist.
  • Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleitereinrichtung ein Druckerzeugungsmittel aufweist, das einen Druck auf die Verbindungselementeinrichtung, in Richtung auf das Verformungselement des Leistungshalbleitermoduls zu, ausübt, wodurch hierdurch die erste Verbindungskontaktfläche gegen die erste Folienverbundkontaktfläche und die zweite Verbindungskontaktfläche gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche gedrückt angeordnet sind und die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche gegen das Verformungselement des Leistungshalbleitermoduls gedrückt angeordnet sind, da dann die Verbindungskontaktflächen zuverlässig gegen die Folienverbundkontaktflächen gedrückt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul und mit einer als Leiterplatte ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung,
  • 2 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul und mit einer als Stromschienenanordnung ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung und
  • 3 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul, das ein mehrstückig ausgebildetes elastisches Verformungselement aufweist, und mit einer als Leiterplatte ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung.
  • In 1 ist eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung 28 mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1 und mit einer als Leiterplatte 17 ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17 dargestellt. In 2 ist eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung 28 mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1 und mit einer als Stromschienenanordnung 17‘ ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17‘ dargestellt. In 3 ist eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 1, das ein mehrstückig ausgebildetes elastisches Verformungselement 30 aufweist, und mit einer als Leiterplatte 17 ausgebildeten elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17 dargestellt. Die in den 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodule 1 stimmen einschließlich vorteilhafter Ausbildungen und Varianten bis auf die unterschiedlichen Ausgestaltungen des elastischen Verformungselements 30 überein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist ein, vorzugsweise aus einem Kunststoff ausgebildetes Gehäuse 2 und ein, aus einem Elastomer ausgebildetes, elastisches Verformungselement 30 auf. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise becherförmig ausgebildet. Das Gehäuse 2 kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Das Gehäuse 2 kann z.B. mehrstückig ausgebildet sein, indem es ein Rahmenelement aufweist, dass Auflageflächen für die der ersten und zweiten Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b ausbildet und über das ein im Bereich der ersten und zweiten Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b mit einer Ausnehmung versehenes Außengehäuse des Gehäuse 2 des Leistungshalbleitermoduls 1 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 braucht nicht notwendiger Weise die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2 des Leistungshalbleitermoduls 1 vollständig abdecken oder umschließen. Das elastische Verformungselement 30 ist vorzugsweise auf der Außenseite 3 des Gehäuses 2 abgeordnet. Das elastische Verformungselement 30 ist vorzugsweise mit der Außenseite 3 des Gehäuses 3 stoffschlüssig verbunden. Das Elastomer ist vorzugsweise als Silikon ausgebildet. Das Silikon liegt vorzugsweise in Form eines vernetzten Liquid Silicone Rubbers oder in Form eines vernetzten Solid Silicone Rubbers vor.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin im Gehäuse 2 angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2, die mit einem Folienverbund 5 elektrisch leitend verbunden sind, auf, wobei der Folienverbund 5 eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte erste Folie 6 (z.B. Metallfolie) und eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte zweite Folie 7 (z.B. Metallfolie) und eine zwischen der ersten und der zweiten Folie 6 und 7 angeordnete elektrisch nicht leitende dritte Folie 8 (z.B. Kunststofffolie) aufweist. Der Folienverbund 5 kann selbstverständlich noch eine oder mehrere weitere strukturierte oder unstrukturierte elektrisch leitende Folien aufweisen, zwischen denen jeweilig eine elektrisch nicht leitende Folie angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement T1 bzw. T2 im Allgemeinen in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vorliegt. Der jeweilige Leistungshalbleiterschalter liegt im Allgemeinen in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form eines Thyristors vor.
  • Das Gehäuse 2 weist eine, vorzugsweise schlitzförmig ausgebildete Öffnung 33 auf, durch die ein Abschnitt des Folienverbunds 5 geführt ist, wobei der Folienverbund 5, zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls 1 mit einer, vorzugsweise als Leiterplatte 17 oder Stromschienenanordnung 17‘ ausgebildeten, elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘, von Außerhalb des Gehäuses 2 zugängliche elektrisch leitende erste und zweite Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b aufweist, die jeweilig in Form eines Oberflächenbereichs des Folienverbunds 5 vorliegen. Die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b sind voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b dienen vorzugsweise als Gleichspannungslastanschlusselemente des Leistungshalbleitermoduls 1 zum elektrischen Anschluss einer zwischen den ersten und zweiten Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b anliegenden Gleichspannung, insbesondere einer Zwischenkreisgleichspannung. Die erste Folienverbundkontaktfläche 5a bildet vorzugsweise ein elektrisches Positivpotentiallastanschlusselement des Leistungshalbleitermoduls 1 und die zweite Folienverbundkontaktfläche 5b ein elektrisches Negativpotentiallastanschlusselement des Leistungshalbleitermoduls 1 aus.
  • Die erste und zweite Folie 6 und 7 können jeweilig eine einzelne oder mehrere übereinander liegende Metallschichten aufweisen.
  • Insbesondere zur mechanischen Verstärkung der ersten und/oder zweiten Folie 6 bzw. 7, vorzugsweise im Bereich des elastischen Verformungselements 30, kann auf der jeweiligen Folie 6 bzw. 7 eine elektrisch leitende zusätzliche Schicht angeordnet sein, deren Oberfläche die jeweilige Folienverbundkontaktfläche 5a bzw. 5b ausbildet. Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung eine solche elektrisch leitende zusätzliche Schicht als integraler Bestandteil des Folienverbunds 5 angesehen wird. Die elektrisch leitende zusätzliche Schicht des Folienverbunds kann z.B. in Form mindestens eines Metallplättchens vorliegen, das auf der jeweiligen Folie 6 bzw. 7 angeordnet ist. Die elektrisch leitende zusätzliche Schicht des Folienverbunds ist vorzugsweise stoffschlüssig (z.B. über eine Sinter- oder Lötverbindung), formschlüssig und/oder kraftschlüssig, mit der jeweiligen Folie 6 bzw. 7 des Folienverbunds 5 verbunden.
  • Die erste und zweite Folie 6 und 7 sind vorzugsweise strukturiert ausgeführt und bilden infolge ihrer Struktur elektrisch leitende Leiterbahnen aus. Die ersten und zweiten Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b liegen im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von Oberflächenbereichen der ersten Folie 6 vor. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind ein Teil der Leiterbahnen der ersten und zweiten Folie 6 und 7 mittels elektrisch leitenden Durchkontaktierungen 21 und 23 miteinander elektrisch leitend verbunden.
  • Die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2 sind vorzugsweise auf einem Substrat 24 angeordnet. Das Substrat 24 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper 27 und eine auf dem Isolierstoffkörper 27 angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht auf, die infolge ihrer Struktur elektrische Leiterbahnen 26 ausbildet, auf denen die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2 angeordnet und mit den Leiterbahnen 26, z.B. mittels Löt- oder Sinterverbindungen (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), elektrisch leitend verbunden sind. Vorzugsweise weist das Substrat 24 eine elektrisch leitende vorzugsweise unstrukturierte weitere Leitungsschicht 25 auf, wobei der Isolierstoffkörper 27 zwischen der strukturierten Leitungsschicht und der weiteren Leitungsschicht 25 angeordnet ist. Das Substrat 24 kann z.B. wie beim Ausführungsbeispiel in Form eines DCB-Substrats (Direct Copper Bonded) oder z.B. in Form eines Insulated Metal Substrats vorliegen. Der Folienverbund 5 ist, z.B. mittels Löt- oder Sinterverbindungen (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), mit den Leiterbahnen 26 des Substrats 24 und mit den Leistungshalbleiterbauelementen T1 und T2 elektrisch leitend verbunden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 kann eine Grundplatte 29 aufweisen, auf der das Substrat 24 angeordnet ist, wobei dabei zwischen dem Substrat 24 und der Grundplatte 14 eine Wärmeleitpaste oder eine Verbindungsschicht (z.B. Lot- oder Sinterschicht) angeordnet sein kann. Die Grundplatte 14 kann integraler Bestandteil eines Kühlkörpers sein. Von der Grundplatte 14 aus, erstrecken sich in diesem Fall vorzugsweise Kühlfinnen oder Kühlpins des Kühlköpers. Alternativ kann, wie beim Ausführungsbeispiels, die Grundplatte 29 auch dafür vorgesehen sein thermisch leitend mit einem Kühlkörper verbunden zu werden. Der Kühlkörper kann als Luftkühlkörper oder als Flüssigkeitskühlkörper ausgebildet sein.
  • Das elastische Verformungselement 30 ist zwischen der Außenseite 3 des Gehäuses 2 und der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b angeordnet. Die ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b sind auf dem Verformungselement 30, vorzugsweise anliegend fixiert angeordnet. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist hierzu vorzugsweise eine Folienverbundhalteeinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den Folienverbund 5 derart zu halten, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen 5a und 5b auf dem Verformungselement 30 anliegend fixiert angeordnet sind und vorzugsweise über das Verformungselement 30 gespannt angeordnet sind. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels liegt die Folienverbundhalteeinrichtung in Form eines ersten und zweiten Haltelements 9a und 9b vor, wobei angemerkt sei, dass verallgemeinert die ersten und zweiten Haltelemente 9a und 9b nicht notwendiger Weise in der Vertiefung 10 angeordnet sein müssen.
  • Die Außenseite 3 des Gehäuses 2 bildet vorzugsweise durch ihren geometrischen Verlauf eine Vertiefung 10 im Gehäuse 2 aus, wobei das Verformungselement 30 auf der Bodenfläche 11 der Vertiefung 10 angeordnet ist. Die Bodenfläche 11, die einen Bereich der Außenseite 3 darstellt, bildet solchermaßen ein Widerlager für das Verformungselement 30 hinsichtlich eines von oben auf das Verformungselement 30 einwirkenden Drucks F aus. Das Verformungselement 30 ist vorzugsweise mit der Bodenfläche 11 der Vertiefung 10 stoffschlüssig verbunden.
  • Zumindest in einem Zustand bei dem das Leistungshalbleitermodul 1 nicht mit der elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ elektrisch leitend kontaktiert ist, weist das Verformungselement 30 in Normalenrichtung N der Bodenfläche 11 der Vertiefung 10 eine derartige Höhe auf, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b außerhalb der Vertiefung 10 angeordnet sind, d.h. die Vertiefung 10 in Normalenrichtung N der Bodenfläche 11 überragen. Hierdurch wird eine flache geometrische Form Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17, und damit eine besonders niederinduktive Ausbildung der elektrischen Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17 ermöglicht.
  • Die Öffnung 33 des Gehäuses 2 mündet vorzugsweise in die Vertiefung 10, insbesondere lateral in die in die Vertiefung 10, ein.
  • Die Vertiefung 10 bildet vorzugsweise eine Aufnahmeeinrichtung 34 zur Aufnahme eines Endabschnitts des Folienverbunds 5 aus. Hierdurch ist der Endabschnitt des Folienverbunds 5 sehr gut gegen von außen einwirkende mechanische Belastungen geschützt. Die Folienverbundhalteeinrichtung weist vorzugsweise ein erstes Halteelement 9a auf, das den Endabschnitt des Folienverbunds 9 in der Aufnahmeeinrichtung 34 festhält. Weiterhin weist die Folienverbundhalteeinrichtung vorzugsweise ein im Bereich der Öffnung 33 des Gehäuses 2 angeordnetes zweites Halteelement 9b auf, das den Folienverbund 9 im Bereich der Öffnung 33 des Gehäuses 2 festhält.
  • Es sei angemerkt, dass der Folienverbund 5 stoffschlüssig mit dem Verformungselement 30 verbunden sein kann.
  • Wie beispielhaft in 2 dargestellt, kann das elastische Verformungselement 30 eine reliefarte Struktur mit mindestens zwei Höhenstufen H1 und H2 aufweisen. Eine solche Ausbildung des Verformungselement 30 ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Verbindungselementeinrichtung 17‘ als Stromschienenanordnung 17‘ ausgebildet ist. Selbstverständlich kann eine solche Ausbildung des Verformungselement 30 aber auch bei beliebigen andersartigen Ausbildungen der Verbindungselementeinrichtung verwendet werden. Weiterhin muss bei einer Ausbildung der Verbindungselementeinrichtung als Stromschienenanordnung nicht notwendiger Weise das Verformungselement 30 eine reliefarte Struktur mit mindestens zwei Höhenstufen H1 und H2 aufweisen, sondern kann auch, wie beispielhaft in 1 dargestellt, eine einheitliche Höhe aufweisen.
  • Wie beispielhaft in 3 dargestellt, braucht das elastische Verformungselement 30 nicht notwendiger Weise, wie in 1 und 2 dargestellt einstückig ausgebildet zu sein, sondern das elastische Verformungselement 30 kann auch aus mindestens zwei separaten Teilkörpern 30a und 30b bestehen, wobei ein erster Teilkörper 30a des Verformungselements 30 zwischen der Außenseite 3 des Gehäuses 2 und der ersten Folienverbundkontaktfläche 12a und ein zweiter Teilkörper 30b des Verformungselements 30 zwischen der Außenseite 3 des Gehäuses 2 und der zweiten Folienverbundkontaktfläche 12b angeordnet ist. Das Verformungselement 30 kann auch bei einer solchen mehrstückigen Ausbildung des Verformungselement 30 eine reliefarte Struktur mit mindestens zwei Höhenstufen H1 und H2 aufweisen, indem z.B. der zweite Teilkörper 30b in Normalenrichtung N höher ausgebildet ist als der erste Teilkörper 30b oder umgekehrt. Selbstverständlich kann auch bei 3, die Verbindungselementeinrichtung z.B. als Stromschienenanordnung 17‘ anstatt als Leiterplatte 17 vorliegen, bzw. verallgemeinert, beliebig ausgestaltet sein.
  • Die Leistungshalbleitereinrichtung 28 weist das Leistungshalbleitermodul 1 sowie eine elektrische Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ auf, die eine elektrisch leitende erste Verbindungskontaktfläche 12a und eine hiervon elektrisch isoliert angeordnete elektrisch leitende zweite Verbindungskontaktfläche 12b aufweist. Die erste Verbindungskontaktfläche 12a ist gegen die erste Folienverbundkontaktfläche 5a des Leistungshalbleitermoduls 1, in Richtung auf das Verformungselement 30 des Leistungshalbleitermodul 1 zu, gedrückt angeordnet, wodurch hierdurch die erste Verbindungskontaktfläche 12a mit der ersten Folienverbundkontaktfläche 5a elektrisch leitend druckkontaktiert ist. Weiterhin ist die zweite Verbindungskontaktfläche 12b gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche 5b des Leistungshalbleitermoduls 1, in Richtung auf das Verformungselement 30 des Leistungshalbleitermodul 1 zu, gedrückt angeordnet, wodurch die zweite Verbindungskontaktfläche 12b mit der zweiten Folienverbundkontaktfläche 5b elektrisch leitend druckkontaktiert ist.
  • Wenn die Verbindungskontaktflächen 12a bzw. 12b gegen die Folienverbundkontaktfläche 5a bzw. 5b mit einem Druck F drücken, dann wird durch den Druck F das Verformungselement 30 elastisch verformt und drückt mit einem Gegendruck in Gegenrichtung zum Druck F gegen den Folienverbund 5 im Bereich der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b, so dass vom Verformungselement 30 die erste Folienverbundkontaktfläche 5a gegen die erste Verbindungskontaktfläche 12a und die zweite Folienverbundkontaktfläche 5b gegen die zweite Verbindungskontaktfläche 12b gedrückt wird. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Elemente des Leistungshalbleitermoduls 1 und der Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ können somit durch das Verformungselement 30 bzw. durch die erfindungsgemäße Druckkontaktierung ausgeglichen werden. Weiterhin können mechanischen Stoß- und Schwingungsbelastungen, welche zu Relativbewegungen des Leistungshalbleitermoduls 1 im Bezug zur Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ führen durch das Verformungselement 30 bzw. durch die erfindungsgemäße Druckkontaktierung ausglichen werden. Weiterhin wird der Druck F, wenn zur Erzeugung des Drucks F zur elektrischen Kontaktierung der Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ mit dem Leistungshalbleitermodul 1, die Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ und das Leistungshalbleitermoduls 1 aufeinander zu bewegt werden, wegen der Elastizität bzw. der Nachgiebigkeit des Verformungselements 30, auf den vom Verformungselement 30 erzeugten bzw. erzeugbaren Gegendruck begrenzt bzw. entspricht diesem. Somit kann es zu keiner Beschädigung oder Zerstörung des Folienverbunds 5 im Bereich der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b infolge zu hohen Drucks kommen.
  • Zur Erzeugung des Drucks F, weist die Leistungshalbleitereinrichtung 28 vorzugsweise ein Druckerzeugungsmittel 4 auf, das einen Druck F auf die Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘, in Richtung auf das Verformungselement 30 des Leistungshalbleitermoduls 1 zu, ausübt, wodurch die erste Verbindungskontaktfläche 12a gegen die erste Folienverbundkontaktfläche 5a und die zweite Verbindungskontaktfläche 12b gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche 5b gedrückt angeordnet sind und die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche 5a und 5b gegen das Verformungselement 30 des Leistungshalbleitermoduls 1 gedrückt angeordnet sind. Alternativ kann der Druck F auch durch eine endsprechende übergeordnete Montageanordnung des Verformungselements 30 und des Leistungshalbleitermoduls 1, bei der ein bestimmter Abstand des Verformungselements 30 und des Leistungshalbleitermoduls 1 zueinander auftritt, erzeugt werden.
  • Das Druckerzeugungsmittel 4 ist vorzugsweise durch mindestens eine Schraubverbindung 4, die die Verbindungselementeinrichtung 17 bzw. 17‘ mit dem Leistungshalbleitermodul 1, insbesondere mit dem Gehäuse 2 des Leistungshalbleitermoduls 1 und/oder mit der Grundplatte 29 des Leistungshalbleitermoduls 1 verbindet, ausgebildet. Die mindestens eine Schraubverbindung 4 ist, der Übersichtlichkeit halber, in den Figuren nur in Form einer gestrichelten Line stark schematisiert dargestellt.
  • Die Verbindungselementeinrichtung 17 kann z.B. als Leiterplatte 17 ausgebildet sein, wobei die erste und zweite Verbindungskontaktfläche 12a und 12b durch Oberflächenbereiche von mindestens einer elektrisch leitenden Schicht 13 bzw. 14. der Leiterplatte 17 gebildet sind. Die erste und zweite Verbindungskontaktfläche 12a und 12b sind, im Rahmen der in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele, als Oberflächenbereiche einer strukturierten elektrisch leitenden ersten Schicht 13 der Leiterplatte 17 ausgebildet. Die Leiterplatte 17 weist weiterhin eine strukturierte oder unstrukturierte elektrisch leitende zweite Schicht 14 auf. Zwischen der ersten und zweiten Schicht 13 und 14 ist eine elektrisch nicht leitende Schicht 15, z.B. aus einem faserverstärkten Kunststoff, angeordnet. Die Leiterplatte 17 kann noch weitere strukturierte oder unstrukturierte elektrisch leitende Schichten, zwischen denen jeweilig eine elektrisch nicht leitende Schicht angeordnet ist, aufweisen. Die Leiterplatte 17 kann solchermaßen als Multi-Layer-Leiterplatte ausgebildet sein. Bei den Ausführungsbeispielen ist die zweite Verbindungskontaktfläche 12b über elektrisch leitende Durchkontaktierungen 16 mit der elektrisch leitenden zweiten Schicht 14 der Leiterplatte 17 elektrisch leitend verbunden.
  • Die Verbindungselementeinrichtung 17‘ kann weiterhin, wie bespielhaft in 2 dargestellt, als Stromschienenanordnung 17‘ ausgebildet sein, die eine elektrisch leitende erste Stromschiene 13‘ und eine, mittels einer elektrischen nicht leitenden Isolationsschicht 15‘ (z.B. Kunststoffschicht) der Stromschienenanordnung 17‘, von der ersten Stromschiene 13‘ elektrisch isoliert angeordnete elektrisch leitende zweite Stromschiene 14‘ aufweist, wobei die erste Verbindungskontaktfläche 12a durch einen Oberflächenbereich der ersten Stromschiene 13‘ und die zweite Verbindungskontaktfläche 12b durch eine Oberflächenbereich der zweiten Stromschiene 14‘ ausgebildet sind.
  • Es sei der Vollständigkeit angemerkt, dass das Leistungshalbleitermodul 1 vorzugsweise ein mit den Leistungshalbleiterelementen T1 und T2 elektrisch leitend verbundenes elektrisches Wechselspannungslastanschlusselement aufweist, das in den Schnittansichten der Figuren nicht dargestellt ist.
  • Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012218868 B3 [0002, 0004]

Claims (16)

  1. Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse (2), mit einem, aus einem Elastomer ausgebildeten, elastischen Verformungselement (30) und mit im Gehäuse (2) angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (T1, T2), die mit einem Folienverbund (5) elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Folienverbund (5) eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte erste Folie (6) und eine elektrisch leitende strukturierte oder unstrukturierte zweite Folie (7) und eine zwischen der ersten und der zweiten Folie (6, 7) angeordnete elektrisch nicht leitende dritte Folie (8) aufweist, wobei das Gehäuse (2) eine Öffnung (33) aufweist, durch die ein Abschnitt des Folienverbunds (5) geführt ist, wobei der Folienverbund (5), zur elektrisch leitenden Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls (1) mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung (17, 17‘), von Außerhalb des Gehäuses (2) zugängliche elektrisch leitende erste und zweite Folienverbundkontaktflächen (5a, 5b) aufweist, die jeweilig in Form eines Oberflächenbereichs des Folienverbunds (5) vorliegen, wobei das Verformungselement (30) zwischen einer Außenseite (3) des Gehäuses (2) und der ersten und zweiten Folienverbundkontaktfläche (5a, 5b) angeordnet ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer als Silikon, insbesondere als vernetzter Liquid Silicone Rubber oder als vernetzter Solid Silicone Rubber, ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verformungselement (30) mit der Außenseite (3) des Gehäuses (2) stoffschlüssig verbunden ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement (30) eine reliefarte Struktur mit mindestens zwei Höhenstufen (H1, H2) aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) eine Folienverbundhalteeinrichtung (9a, 9b) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Folienverbund (5) derart zu halten, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen (5a, 5b) auf dem Verformungselement (30) anliegend fixiert angeordnet sind.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (2) des Gehäuses (3) durch ihren geometrischen Verlauf eine Vertiefung (10) im Gehäuse (3) ausbildet, wobei das Verformungselement (30) auf einer Bodenfläche (11) der Vertiefung (10) angeordnet ist.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Zustand bei dem das Leistungshalbleitermodul (1) nicht mit der externen elektrischen Verbindungselementeinrichtung (28) elektrisch leitend kontaktiert ist, das Verformungselement (30) in Normalenrichtung (N) der Bodenfläche (11) der Vertiefung (10) eine derartige Höhe aufweist, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche (5a, 5b) außerhalb der Vertiefung (10) angeordnet sind.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33) des Gehäuses (3) in die Vertiefung (10) einmündet.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (10) eine Aufnahmeeinrichtung (34) zur Aufnahme eines Endabschnitts des Folienverbunds (5) ausbildet.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) eine Folienverbundhalteeinrichtung (9a, 9b) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Folienverbund (5) derart zu halten, dass die erste und zweite Folienverbundkontaktflächen (5a, 5b) auf dem Verformungselement (30) anliegend fixiert angeordnet sind, wobei die Folienverbundhalteeinrichtung (9a, 9b) ein erstes Halteelement (9a) aufweist, das den Endabschnitt des Folienverbunds (5) in der Aufnahmeeinrichtung (34) festhält.
  11. Leistungshalbleitermodul nach 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Folienverbundhalteeinrichtung (9a, 9b) ein im Bereich der Öffnung (33) des Gehäuses (2) angeordnetes zweites Halteelement (9b) aufweist, das den Folienverbund (5) im Bereich der Öffnung (33) des Gehäuses (2) festhält.
  12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement (30) einstückig ausgebildet ist oder aus mindestens zwei separaten Teilkörpern (30a, 30b) besteht, wobei ein erster Teilkörper (30a) des Verformungselements (30) zwischen der Außenseite (3) des Gehäuses (2) und der ersten Folienverbundkontaktfläche (5a) und ein zweiter Teilkörper (30b) des Verformungselements (30) zwischen der Außenseite (3) des Gehäuses (2) und der zweiten Folienverbundkontaktfläche (5b) angeordnet ist.
  13. Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und mit einer elektrischen Verbindungselementeinrichtung (17, 17‘), die eine elektrisch leitende erste Verbindungskontaktfläche (12a) und eine von der ersten Verbindungskontaktfläche (12a) elektrisch isoliert angeordnete elektrisch leitende zweite Verbindungskontaktfläche (12b) aufweist, wobei die erste Verbindungskontaktfläche (12a) gegen die erste Folienverbundkontaktfläche (5a) des Leistungshalbleitermoduls (1), in Richtung auf das Verformungselement (30) des Leistungshalbleitermodul (1) zu, gedrückt angeordnet ist und hierdurch die erste Verbindungskontaktfläche (12a) mit der ersten Folienverbundkontaktfläche (5a) elektrisch leitend druckkontaktiert ist, wobei die zweite Verbindungskontaktfläche (12b) gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche (5b) des Leistungshalbleitermoduls (1), in Richtung auf das Verformungselement (30) des Leistungshalbleitermodul (1) zu, gedrückt angeordnet ist und hierdurch die zweite Verbindungskontaktfläche (12b) mit der zweiten Folienverbundkontaktfläche (5b) elektrisch leitend druckkontaktiert ist.
  14. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselementeinrichtung (17) als Leiterplatte (17) ausgebildet ist und die erste und zweite Verbindungskontaktfläche (12a, 12b) durch Oberflächenbereiche von mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (13, 14) der Leiterplatte (17) gebildet sind.
  15. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselementeinrichtung (17‘) als Stromschienenanordnung (17‘), die eine elektrisch leitende erste Stromschiene (13‘) und eine, mittels einer elektrischen nicht leitenden Isolationsschicht (15‘) der Stromschienenanordnung (17‘) von der ersten Stromschiene (13‘) elektrisch isoliert angeordnete, elektrisch leitende zweite Stromschiene (14‘) aufweist, wobei die erste Verbindungskontaktfläche (12a) durch einen Oberflächenbereich der ersten Stromschiene (13‘) und die zweite Verbindungskontaktfläche (12b) durch einen Oberflächenbereich der zweiten Stromschiene (14‘) gebildet sind.
  16. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleitereinrichtung (28) ein Druckerzeugungsmittel (4) aufweist, das einen Druck (F) auf die Verbindungselementeinrichtung (17, 17‘), in Richtung auf das Verformungselement (30) des Leistungshalbleitermoduls (1) zu, ausübt, wodurch hierdurch die erste Verbindungskontaktfläche (12a) gegen die erste Folienverbundkontaktfläche (5a) und die zweite Verbindungskontaktfläche (12b) gegen die zweite Folienverbundkontaktfläche (5b) gedrückt angeordnet sind und die erste und zweite Folienverbundkontaktfläche (5a, 5b) gegen das Verformungselement (30) des Leistungshalbleitermoduls (1) gedrückt angeordnet sind.
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