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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit Leistungshalbleiterbauelementen und einem Kondensator.
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Aus der
DE 10 2012 202 765 B3 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem einen ersten und einen zweiten elektrischen Kondensatoranschluss aufweisenden Kondensator, mit Leistungshalbleiterbauelementen und mit einem Folienverbund, der mit den Leistungshalbleiterbauelementen elektrisch leitend verbunden ist, bekannt. Der Kondensator ist dabei auf einem Substrat, auf dem auch die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, angeordnet. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und gegebenenfalls weiteren Elementen weisen parasitäre Induktivitäten auf, die im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls zu Überspannungen an den Leistungshalbleiterbauelementen führen können. Um diese Überspannungen zu vermeiden oder zu reduzieren, sind die Leistungshalbleiterbauelemente mit dem Kondensator elektrisch leitend verbunden. Ein zur Vermeidung oder zur Reduktion von Überspannungen dienender Kondensator, wird fachspezifisch auch als Snubberkondensator bezeichnet.
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Selbstverständlich kann der Kondensator aber auch für andere Zwecke vorhanden sein und z.B. als Zwischenkreiskondensator dienen.
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Nachteilig dabei ist, dass der Kondensator als diskretes Bauelement realisiert ist und somit bei der Herstellung erst noch mit dem Folienverbund und/oder dem Substrat elektrisch leitend kontaktiert werden muss. Dies macht die Herstellung des Leistungshalbleitermoduls aufwändig und wirkt sich infolge der Verwendung eines weiteren Bauelements negativ auf die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls aus.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein einfach herstellbares zuverlässiges Leistungshalbleitermodul zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit Leistungshalbleiterbauelementen, die auf mindestens einer elektrisch leitenden Leiterbahn angeordnet sind, mit einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht auf der die mindestens eine Leiterbahn angeordnet ist und mit einem Folienverbund, wobei der Folienverbund eine elektrisch leitende erste Folie, eine elektrisch leitende dritte Folie, eine zwischen der ersten und dritten Folie angeordnete elektrisch nicht leitende zweite Folie und eine elektrisch nicht leitende vierte Folie aufweist, wobei die dritte Folie zwischen der zweiten und vierten Folie angeordnet ist, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente mit dem Folienverbund elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Leistungshalbleitermodul einen in Form eines aufgewickelten Abschnitts des Folienverbunds ausgebildeten ersten Kondensator aufweist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der aufgewickelte Abschnitt des Folienverbunds in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung der Isolationsschicht neben den Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist. Hierdurch werden die Leistungshalbleiterbauelemente nicht durch das Gewicht des ersten Kondensators belastet.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der aufgewickelte Abschnitt des Folienverbunds mit der mindestens einen elektrisch leitenden Leiterbahn und/oder der Isolationsschicht mechanisch verbunden ist, da dann der erste Kondensator mit dem übrigen Leistungshalbleitermodul mechanisch stabil verbunden ist und an die Isolationsschicht thermisch leitend angekoppelt ist, so dass der erste Kondensator über die Isolationsschicht gut gekühlt werden kann.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der aufgewickelte Abschnitt des Folienverbunds um eine parallel zur Isolationsschicht verlaufende virtuelle Achse aufgewickelt angeordnet ist, da der Folienverbunds dann leicht aufgewickelt werden kann.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der aufgewickelte Abschnitt des Folienverbunds um einen Wickelkörper herum aufgewickelt angeordnet ist, da der erste Kondensator dann mechanisch stabil ausgebildet ist.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein elektrischer zweiter Laststromanschluss eines ersten Leistungshalbleiterbauelements des Leistungshalbleitermoduls mit einem elektrischen ersten Laststromanschluss eines zweiten Leistungshalbleiterbauelements des Leistungshalbleitermoduls elektrisch leitend verbunden ist, wobei der erste Kondensator elektrisch parallel zum ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelement geschaltet ist und mit einem elektrischen ersten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements und mit einem elektrischen zweiten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements elektrisch leitend verbunden ist, da dann eine in der Leistungselektronik typische Schaltung ausgebildet wird.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn im Bereich des aufgewickelten Abschnitts des Folienverbunds erste Randkanten der ersten Folie mittels eines elektrisch leitenden ersten Verbindungselements miteinander elektrisch leitend verbunden sind und erste Randkanten der dritten Folie mittels eines elektrisch leitenden zweiten Verbindungselements miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Hierdurch wird ein homogenere Stromaufteilung auf die Windungen der ersten und dritten Folie erzielt.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn zu den ersten Randkanten der ersten Folie gegenüberliegend angeordnete zweite Randkanten der ersten Folie gegenüber den ersten Randkanten der dritten Folie zurückversetzt angeordnet sind und zu den ersten Randkanten der dritten Folie gegenüberliegend angeordnete zweite Randkanten der dritten Folie gegenüber den ersten Randkanten der ersten Folie zurückversetzt angeordnet sind. Hierdurch wird die Gefahr der Ausbildung eines Kurzschlusses zwischen der ersten und dritten Folie durch das erste und zweite Verbindungselement stark reduziert.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste Kondensator als Snubberkondensator dient, da dann an den Leistungshalbleiterbauelementen auftretende Überspannungen vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul einen zum ersten Kondensator elektrisch parallel geschalteten zweiten Kondensator aufweist. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die wirksame elektrische Kapazität erhöht werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein erster elektrischer Anschluss des zweiten Kondensators mit der ersten Randkanten der ersten Folie elektrisch leitend kontaktiert ist und ein zweiter elektrischer Anschluss des zweiten Kondensators mit der ersten Randkanten der dritten Folie elektrisch leitend kontaktiert ist. Hierdurch kann der zweite Kondensator sehr geschickt an die elektrische Schaltung des Leistungshalbleitermodul angeschlossen werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zweite Kondensator als Zwischenkreiskondensator dient. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise ein Zwischenkreiskondensator an die elektrische Schaltung des Leistungshalbleitermoduls angeschlossen werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Grundplatte aufweist, wobei die Isolationsschicht zwischen der mindestens einen elektrisch leitenden Leiterbahn und der Grundplatte angeordnet ist, da dann das Leistungshalbleitermodul mechanisch besonders stabil ausgebildet ist.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Grundplatte integraler Bestandteil eines Kühlkörpers ist, wobei der Kühlkörper von der Grundplatte ausgehende Erhebungen aufweist. Hierdurch wird eine gute Kühlung der Leistungshalbeleiterbauelemente erzielt.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Erhebungen als Kühlfinnen oder Kühlpins ausgebildet sind, da dann eine effiziente Wärmeabgabe vom Kühlkörper auf ein den Kühlkörper umgebendes flüssiges oder gasförmiges Medium gewährleistet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
- 2 eine Schnittansicht durch einen Teil eines aufgewickelten Abschnitts eines Folienverbunds des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls entlang der in 1 dargestellten Schnittlinie A und
- 3 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
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In 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 dargestellt. Es handelt sich bei 1 und 2 um schematisierte Darstellungen bei denen insbesondere die Abmessungen der Elemente nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 eventuell vorhandene Löt- oder Sintermetallschichten nicht dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1 weist mehrere Leistungshalbleiterbauelemente T1, T2, D1 und D2 auf, die auf mindestens einer elektrischen leitenden Leiterbahn 3 des Leistungshalbleitermoduls 1, in 1 z.B. auf zwei Leiterbahnen 3, angeordnet sind. Die Leistungshalbleiterbauelemente T1, T2, D1 und D2 sind dabei mit den Leiterbahnen 3, vorzugsweise über eine zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen T1, T2, D1 und D2 und den Leiterbahnen 3 angeordnete Löt- oder Sintermetallschicht, elektrisch leitend verbunden. Die Leiterbahnen 3 werden durch eine elektrisch leitende strukturierte erste Leitungsschicht ausgebildet. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement liegt vorzugweise in Form eines Leistungshalbleiterschalters T1 bzw. T2 oder einer Diode D1 bzw. D2 vor. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei vorzugsweise in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor.
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Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul 1 eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 15 und vorzugsweise eine Grundplatte 9 auf, wobei die Isolationsschicht 15 zwischen den Leiterbahnen 3 und der Grundplatte 9 angeordnet ist. Die Leiterbahnen 3 sind mit der Isolationsschicht 15 verbunden. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist zwischen der Isolationsschicht 15 und der Grundplatte 9 eine elektrisch leitende vorzugweise unstrukturierte zweite Leitungsschicht 14 angeordnet, die mit der Isolationsschicht 15 verbunden ist. Die Isolationsschicht 15 liegt vorzugsweise in Form eines Keramikkörpers vor. Die jeweilige Leiterbahn 3, die zweite Leitungsschicht 14 und die Isolationsschicht 15 werden zusammen vorzugsweise durch ein Direct Copper Bonded Substrat 13 (DCB-Substrat) ausgebildet.
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Die Grundplatte 9 kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Die Grundplatte 9 kann aus einem einzelnen oder aus mehreren Metallen bestehen. Die Grundplatte 9 kann z.B. aus übereinander angeordneten Teilgrundplatten bestehen. Die zweite Leitungsschicht 14 kann stoffschlüssig, z.B. über eine zwischen der zweiten Leitungsschicht 14 und der Grundplatte 9 angeordnete Löt- oder Sintermetallschicht, mit der Grundplatte 9 verbunden sein oder gegen die Grundplatte 9 gedrückt angeordnet sein. Wenn die zweite Leitungsschicht 14 gegen die Grundplatte 9 gedrückt angeordnet ist, dann kann zwischen der zweite Leitungsschicht 14 und Grundplatte 9 eine Wärmeleitpaste angeordnet sein.
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Die Grundplatte 9 kann, z.B. mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, wie z.B. einer Schraubverbindung, oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit einem Kühlkörper verbunden sein. Alternativ kann die Grundplatte 9 integraler Bestandteil eines Kühlkörpers 11 sein, wobei der Kühlkörper 11 von der Grundplatte 9 ausgehende, vorzugsweise metallische, Erhebungen 10 aufweist, die z.B. als Kühlfinnen oder Kühlpins ausgebildet sein können. Die Erhebungen 10 sind in 1 gestrichelt gezeichnet dargestellt. Wenn die Grundplatte 9 mittels einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Kühlkörper verbunden ist bzw. allgemeiner ausgedrückt gegen den Kühlkörper gedrückt angeordnet ist, dann kann zwischen der Grundplatte 9 und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste angeordnet sein.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente T1, T2, D1 und D2 sind mit einem Folienverbund 5 elektrisch leitend verbunden. Die Leistungshalbleiterbauelemente T1, T2, D1 und D2 sind mittels des Folienverbunds 5 und den Leiterbahnen 3 zu einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Halbbrückenschaltung; elektrisch verschalten. Der Folienverbund 5 weist eine elektrisch leitende erste Folie 6, eine elektrisch leitende dritte Folie 8, eine zwischen der ersten und dritten Folie 6 und 8 angeordnete elektrisch nicht leitende zweite Folie 7 und eine elektrisch nicht leitende vierte Folie 12 auf, wobei die dritte Folie 8 zwischen der zweiten und vierten Folie 7 und 12 angeordnet ist. Die erste Folie 6 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit der zweiten Folie 7 verbunden. Die dritte Folie 8 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit der zweiten Folie 7 verbunden. Die vierte Folie 12 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit der dritten Folie 8 verbunden.
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Es sei bezüglich des Folienverbunds 5 folgendes angemerkt: Die erste Folie 6 ist vorzugsweise als Metallfolie ausgebildet. Die erste Folie 6 kann unstrukturiert, oder strukturiert ausgebildet sein und infolge ihrer Struktur mehrere voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leiterbahnen ausbilden. Die zweite Folie 7 ist vorzugsweise als Kunststofffolie ausgebildet. Die dritte Folie 8 ist vorzugsweise als Metallfolie ausgebildet. Die dritte Folie 8 kann unstrukturiert, oder strukturiert ausgebildet sein und infolge ihrer Struktur mehrere voneinander elektrisch isoliert angeordnete Leiterbahnen ausbilden. Die vierte Folie 12 ist vorzugsweise als Kunststofffolie ausgebildet. Der Folienverbund 5 kann selbstverständlich noch eine oder mehrere weitere strukturierte oder unstrukturierte elektrisch leitende Folien (z.B. Metallfolien) aufweisen, zwischen denen jeweilig eine elektrisch nicht leitende Folie (z.B. Kunststofffolie) angeordnet ist. Die jeweilige Metallfolie kann eine einzelne oder mehrere übereinander liegende Metallschichten aufweisen.
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Der Folienverbund 5, genauer ausgedrückt die erste bzw. dritte Folie 6 bzw. 8, ist schaltungsgerecht mit dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement und /oder der jeweiligen Leiterbahn 3 stoffschlüssig, z.B. über eine jeweilige Löt- oder Sinterschicht, elektrisch leitend kontaktiert. Ein jeweiliger Kontaktierungsbereich 8' der dritten Folie 8 kann mittels Durchkontaktierungen 20 mit der ersten Folie 6 elektrisch leitend verbunden sein. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind, wie beispielhaft in 3 dargestellt, die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und T2 des Leistungshalbleitermoduls 1 mittels des Folienverbunds 5 und den Leiterbahnen 3 zu einer Halbbrückenschaltung 25 elektrisch verschalten. Die Halbbrückenschaltung 25 weist weiterhin vorzugsweise die erste und zweite Diode D1 und D2 auf, die ebenfalls mittels des Folienverbunds 5 und den Leiterbahnen 3, wie beispielhaft in 3 dargestellt, elektrisch verschalten sind. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist das Leistungshalbleitermodul 1 Gleichspannungslastanschlusselemente DC+ und DC- und ein Wechselspannungslastanschlusselement AC auf, die, wie beispielhaft in 3 dargestellt, mit der Halbbrückenschaltung 25 elektrisch leitend verbunden sind. Im Betrieb des Leistungshalbleitermodul 1 liegt zwischen den Gleichspannungslastanschlusselementen DC+ und DC- eine Gleichspannung U an.
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Bei der Erfindung weist das Leistungshalbleitermodul 1 einen in Form eines aufgewickelten Abschnitts 19 des Folienverbunds 5 ausgebildeten ersten Kondensator C1 auf. Die erste und dritte Folie 6 und 8 bilden dabei die Elektroden des ersten Kondensators C1 aus und die zweite Folie 7 bildet das Dielektrikum des Kondensators C1 aus. Der erste Kondensator C1 ist somit bei der Erfindung nicht als diskretes Bauelement realisiert sondern integraler Bestandteil des Folienverbunds 5 und muss somit nicht mehr bei der Herstellung mit dem Folienverbund 5 und/oder mit den Leiterbahnen 3 elektrisch leitend kontaktiert werden. Hierdurch werden der für die Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 benötigte Aufwand und die Anzahl der elektrischen Bauelemente, die zur Realisierung des Leistungshalbleitermoduls 1 benötigt werden, reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls 1 deutlich erhöht wird.
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Der erste Kondensator C1 dient vorzugsweise als Snubberkondensator. Der erste Kondensator C1 weist vorzugsweise eine Kapazität von 0,5µF bis 5µF, insbesondere von 2,2µF, auf. Der erste Kondensator C1 kann jedoch auch als Zwischenkreiskondensator dienen.
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Der aufgewickelte Abschnitt 19 des Folienverbunds 5 ist vorzugsweise in senkrechte Richtung zur Normalenrichtung N der Isolationsschicht 15 neben den Leistungshalbleiterbauelementen T1, T2, D1 und D2 angeordnet. Der aufgewickelte Abschnitt 19 des Folienverbunds 5 ist vorzugsweise mit mindestens einer elektrisch leitenden Leiterbahn 3 und/oder der Isolationsschicht 15 mechanisch, insbesondere stoffschlüssig z.B. mittels einer Kleberverbindung, verbunden. Der aufgewickelte Abschnitt 19 des Folienverbunds 5 ist vorzugsweise um eine parallel zur Isolationsschicht 15 verlaufende virtuelle Achse Z aufgewickelt angeordnet. Der aufgewickelte Abschnitt 19 des Folienverbunds 5 ist vorzugsweise um einen Wickelkörper 22, der z.B. quaderförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein kann, herum aufgewickelt angeordnet.
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Im Bereich des aufgewickelten Abschnitts 19 des Folienverbunds 5 sind vorzugsweise, wie beispielhaft in 2 dargestellt, erste Randkanten 6' der ersten Folie 6 mittels eines elektrisch leitenden ersten Verbindungselements 16 miteinander elektrisch leitend verbunden und erste Randkanten 8' der dritten Folie 8 mittels eines elektrisch leitenden zweiten Verbindungselements 17 miteinander elektrisch leitend verbunden. Das jeweilige Verbindungselement 16 bzw. 17 kann z.B. in Form einer Metallplatte oder in Form einer aufgebrachten Metallisierung vorliegen. Vorzugsweise sind zu den ersten Randkanten 6' der erste Folie 6 gegenüberliegend angeordnete zweite Randkanten 6" der erste Folie 6 gegenüber den ersten Randkanten 8' der dritten Folie 8 zurückversetzt angeordnet und zu den ersten Randkanten 8' der dritten Folie 8 gegenüberliegend angeordnete zweite Randkanten 8" der dritten Folie 8 gegenüber den ersten Randkanten 6' der ersten Folie 6 zurückversetzt angeordnet.
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Nachfolgend wird das Leistungshalbleiterbauelement T1 als erstes Leistungshalbleiterbauelement T1 und das Leistungshalbleiterbauelement T2 als zweite Leistungshalbleiterbauelements T2 bezeichnet. Wie beispielhaft in 3 dargestellt, ist vorzugsweise ein elektrischer zweiter Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 mit einem elektrischen ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 elektrisch leitend verbunden, wobei der erste Kondensator C1 elektrisch parallel zum ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelement T1 und T2 geschaltet ist und mit einem elektrischen ersten Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterbauelements T1 und mit einem elektrischen zweiten Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterbauelements T2 elektrisch leitend verbunden ist.
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Das Leistungshalbleitermodul 1 kann, wie beispielhaft in 2 und 3 dargestellt, einen zum ersten Kondensator C1 elektrisch parallel geschalteten zweiten Kondensator C2, der vorzugsweise eine höhere Kapazität als der erste Kondensator C1 aufweist, aufweisen. Der zweite Kondensator C2 dient vorzugsweise als Zwischenkreiskondensator. Der zweite Kondensator C2 weist vorzugsweise eine Kapazität von mindestens 100µF auf. Der zweite Kondensator C2 kann jedoch auch als Snubberkondensator dienen. Gegebenenfalls können sowohl der erste Kondensator C1 als auch der zweite Kondensator C2 gemeinsam als Snubberkondensatoren oder als Zwischenkreiskondensatoren dienen.
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Ein erster elektrischer Anschluss C2' des zweiten Kondensators C2 ist vorzugsweise mit der ersten Randkanten 6' der ersten Folie 6 elektrisch leitend kontaktiert und ein zweiter elektrischer Anschluss C2" des zweiten Kondensators C2 ist vorzugsweise mit der ersten Randkanten 8' der dritten Folie 8 elektrisch leitend kontaktiert. Die jeweilige Kontaktierung kann dabei z.B. über eine Lötverbindung erfolgen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012202765 B3 [0002]
