DE102021212895A1 - Leistungselektronikanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronikanordnung - Google Patents

Leistungselektronikanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronikanordnung Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Leistungselektronikanordnung (LA), aufweisend:- ein Leistungsmodul (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (01);- zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1);- wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den jeweiligen Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind;- wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken;- wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet sind.Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen der genannten Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung, insb. für ein Kraftfahrzeug, wie z. B. einen Leistungs-Inverter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronikanordnung.
  • Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
  • Leistungselektronikanordnungen, wie z. B. Leistungs-Inverter, sind bekannt und werden unter anderem bei elektrischen Antrieben von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
  • Wie bei anderen technischen Anordnungen, insb. bei technischen Anordnungen für die Kraftfahrzeuge, besteht für die Leistungselektronikanordnungen die allgemeine Anforderung an hohe Zuverlässigkeit.
  • Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Leistungselektronikanordnung, wie z. B. einen Leistungs-Inverter, bereitzustellen, die zuverlässig ist.
  • Beschreibung der Erfindung:
  • Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung, insb. ein Leistungs-Inverter, speziell für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.
  • Die Leistungselektronikanordnung weist ein Leistungsmodul mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern auf, wobei die Leistungshalbleiter wiederum jeweils mindestens einen Oberflächenkontakt aufweisen. Dabei dienen die Oberflächenkontakte zur stromführenden Kontaktverbindung der jeweiligen Leistungshalbleiter mit externen Kontaktpartnern, wie z. B. Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungshalbleiter. Insb. sind die Oberflächenkontakte als Steuerelektroden zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern der jeweiligen Leistungshalbleiter gebildet. Ein oder mehrere der Oberflächenkontakte können auch als Überwachungs- oder Monitoring-Elektroden ausgebildet sein, die für ein (Mess-)Signal vorgesehen sind, das einen Betriebsparameter des Halbleiters wiedergibt, etwa Temperatur, Spannung oder Stromstärke. Die Kontakte sind dann vorgesehen, eines oder mehrere dieser Signale abzugeben, etwa zu Regelungs- oder Steuerzwecken.
  • Die Leistungselektronikanordnung weist ferner zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente auf, wobei die Pin-Kontaktelemente jeweils einen ersten Kontaktabschnitt aufweisen. Die ersten Kontaktabschnitte dienen zur Herstellung von (direkten) stromführenden Verbindungen zu den jeweiligen Leistungshalbleitern. Die Pin-Kontaktelemente bestehen bspw. aus Kupfer oder einem vergleichbaren Metall, oder einer Kupferlegierung bzw. einer vergleichbaren Metalllegierung.
  • Die Pin-Kontaktelemente sind jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt (insb. ultraschallgeschweißt). Dabei erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter.
  • Ferner sind die Pin-Kontaktelemente jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet. Dabei fixiert der Träger die Pin-Kontaktelemente in deren jeweiligen Positionen und isoliert diese voneinander elektrisch. Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente sind nicht in dem Träger eingebettet. Der dadurch gebildete Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund erleichtert den anschließenden Transport und die spätere Montage der Pin-Kontaktelemente auf das Leistungsmodul.
  • Die Leistungshalbleiter können allesamt auf einem Keramik-Substrat, wie z. B. einem DCB (auf Englisch „Direct copper bonded“)- oder AMB (auf Englisch „Active-Metal-Bond“)-Substrat, angeordnet sein. Alternativ können die Leistungshalbleiter auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet sein. Sind die Leistungshalbleiter auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet, so bilden die Substrate samt den Leistungshalbleitern gemeinsam das Leistungsmodul. Anstelle der Keramik-Substrate können auch Stromschienen (auf Englisch „Busbars“) auch als Träger der Leistungshalbleiter dienen, wobei in diesem Fall die Stromschienen anstelle von herkömmlichen Leiterbahnen stromführende Verbindungen für die Leistungshalbleiter herstellen.
  • Die oben genannten massiven Pin-Kontaktelemente sind Pin- bzw. Stift-förmige Kontaktelemente (aus einem niederohmigen Material, wie z. B. Kupfer oder einer Kupferlegierung) mit einer entsprechend hohen Eigensteifigkeit, die ausreicht, stabile elektrische Verbindungen, bspw. stabile Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, der Pin-Kontaktelemente mit externen elektrischen Kontaktpartnern sicherzustellen. Insb. sind die Pin-Kontaktelemente in Form von Kontakt-Pins oder Kontakt-Stiften gebildet.
  • Dank der ausreichend hohen Eigensteifigkeit können die Pin-Kontaktelemente über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf die Oberflächenkontakte der jeweiligen Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt werden. Dabei ist der Fertigungsvorgang des Auflötens, Aufsinterns bzw. Aufschweißens im Vergleich zu einem Fertigungsvorgang des Bondens, das sonst zur Herstellung vergleichbarer elektrischer Kontaktierungen zu den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter angewendet wird, wesentlich einfacher und kosteneffizienter. Außerdem sind die Löt-, Sinter- bzw. Schweißverbindungen wesentlich robuster als Bondverbindungen, insb. gegen mechanische Schwingungen oder thermische Ausdehnungen.
  • Darüber hinaus lassen sich stromführende Kontaktierungen zwischen den Leistungshalbleitern bzw. deren Oberflächenkontakten einerseits und den externen Kontaktpartnern, wie z. B. Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungshalbleiter, andererseits mittels den Pin-Kontaktelementen ohne zusätzliche Verbindungsmittel, wie z. B. Bonddrähte, direkt herstellen. Entsprechend entfallen auch zusätzliche Kontaktflächen, die sonst als sogenannte „Landeflächen“ (in der Regel) lediglich zur Herstellung elektrischer Verbindungen von den Bonddrähten einerseits und weiteren elektrischen Verbindungsmitteln, wie z. B. Kupferbügeln, andererseits dienen. Folglich lässt sich die Leistungselektronikanordnung mit den Pin-Kontaktelementen auch einfacher und somit kostengünstiger und bauraumsparender herstellen.
  • Dadurch, dass die ersten Kontaktabschnitte, über die die Pin-Kontaktelemente jeweils auf den Oberflächenkontakten der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter direkt aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind, sich jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter erstrecken, lassen sich auch entsprechend flächig ausgedehnte, stabile elektrische Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter andererseits herstellen. Insb. sind die ersten Kontaktabschnitte jeweils an einem freiliegenden Endabschnitt der jeweiligen Pin-Kontaktelemente gebildet. Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente sind nicht in dem Träger eingebettet.
  • Der Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial hält die Pin-Kontaktelemente an ihren jeweiligen Positionen fest und stellt somit auch stabile Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Oberflächenkontakten der Leistungshalbleiter andererseits sicher.
  • Damit ist eine zuverlässige Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.
  • Die Leistungshalbleiter können als Leistungs-MOSFETs oder als Leistungs-IGBTs gebildet sein. Im Falle von Leistungs-MOSFETs sind die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter als Gate- und/oder Source-Anschlüsse der jeweiligen Leistungs-MOSFETs gebildet. Im Falle von Leistungs-IGBTs sind die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter als Basis- und/oder Emitter-Anschlüsse der jeweiligen Leistungs-IGBTs gebildet.
  • Der Träger ist bspw. durch Spritzgießen des Isoliermaterials um die Pin-Kontaktelemente geformt.
  • Bspw. sind die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt (bzw. dem Rest) der entsprechenden Pin-Kontaktelemente, der sich (unmittelbar) an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt, gebogen, insb. um denselben Biegewinkel, speziell allesamt um denselben Biegewinkel von 90°, gegenüber dem jeweiligen korrespondierenden Abschnitt (bzw. dem Rest). Die Biegung kann mehrere, einzelne Krümmungen aufweisen, die zusammen den genannten Biegewinkel darstellen, oder kann nur eine Krümmung aufweist, die eine dem genannten Biegewinkel entsprechende Biegung realisiert.
  • Bspw. befinden bzw. erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente in einer Kontaktebene, in der sich auch die Oberflächenkontakte der Leistungshalbleiter erstrecken. Entsprechend befinden sich die Löt-, Sinter- bzw. Schweißverbindungen zwischen den ersten Kontaktabschnitten einerseits und den Oberflächenkontakten andererseits in dieser Kontaktebene und erstrecken sich auch in dieser Kontaktebene. Dagegen erstreckt sich der Träger samt den Abschnitten von den jeweiligen Pin-Kontaktelementen, die in dem Träger eingebettet sind, in dessen Längs- oder Breitenrichtung von der Kontaktebene weg. Dies ermöglich eine einfache Montage des Trägers auf das Leistungsmodul durch Reinschieben des Trägers in einer Einschubrichtung von oberhalb des Leistungsmoduls hin zum Leistungsmodul. Vor dem Platzieren der ersten Kontaktabschnitten an den Oberflächenkontakten bzw. auf Oberflächenkontakte werden die Pin-Kontaktelemente in den Träger eingebettet. Dann wird der Träger platziert, wodurch die Kontaktabschnitte an den Oberflächenkontakten bzw. auf Oberflächenkontakte platziert werden, um danach an diesen befestigt zu werden durch Ausführen der genannten Verbindungen zwischen den ersten Kontaktabschnitten und den Oberflächenkontakten.
  • Die Pin-Kontaktelemente weisen jeweils an einem von dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt abgewandten (End-)Bereich bspw. einen zweiten Kontaktabschnitt auf, wobei die zweiten Kontaktabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente zur Bildung von elektrisch leitenden Verbindungen, wie z. B. Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, eingerichtet sind. Dabei sind die zweiten Kontaktabschnitte bspw. nicht in dem Träger eingebettet und liegen somit frei.
  • Die zweiten Kontaktabschnitte erstrecken sich bspw. in einer Erstreckungsrichtung weg von der Kontaktebene. Insb. liegt die Erstreckungsrichtung der zweiten Kontaktabschnitte senkrecht zur Kontaktebene. Alternativ kann die Erstreckungsrichtung parallel zur Kontaktebene (jedoch nicht in der Kontaktebene) liegen.
  • Die Leistungselektronikanordnung weist bspw. ferner ein Halteelement zum Halten des Trägers auf. Das Halteelement ist mit dem Träger in Richtungen parallel zur Kontaktebene formschlüssig verbunden und verhindert somit, dass sich der Träger und somit auch die Pin-Kontaktelemente ungewollt in der Richtung parallel zur Kontaktebene verschieben, und dass sich die ersten Kontaktabschnitte gegenüber den Oberflächenkontakten verrutschen. Entsprechend stellt das Halteelement stabile elektrische Verbindungen zwischen den Pin-Kontaktelementen einerseits und den Leistungshalbleitern andererseits in der Kontaktebene sicher.
  • Bspw. ist das Halteelement mittels mindestens einer Nut-Feder-Verbindung mit dem Träger formschlüssig verbunden. Dabei erstreckt sich die Nut dieser Verbindung von der Kontaktebene weg, insb. senkrecht zur Kontaktebene. Die Nut-Feder-Verbindung ermöglicht die einfache Montage des Trägers auf das Leistungsmodul durch Reinschieben des Trägers in der zuvor genannten Einschubrichtung von oberhalb des Leistungsmoduls hin zur Kontaktebene bzw. zum Leistungsmodul, wobei die Einschubrichtung parallel zur Erstreckungsrichtung der Nut liegt.
  • Die Leistungselektronikanordnung weist bspw. ferner ein Gehäuse auf, in dem bzw. in dessen Hohlraum das Leistungsmodul samt den Leistungshalbleitern und der Träger samt den Pin-Kontaktelementen angeordnet sind. Dabei ist das Halteelement als ein Teilabschnitt des Gehäuses, wie z. B. in Form von einem oder mehreren Vorsprüngen an dem Gehäuse, gebildet. Alternativ ist das Halteelement an dem Gehäuse befestigt, wie z. B. in Form von einer oder mehreren Führungsschienen, die an dem Gehäuse befestigt sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.
  • Gemäß dem Verfahren wird ein Leistungsmodul mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern mit jeweils einem Oberflächenkontakt bereitgestellt.
  • Ferner werden zwei oder mehr massiven Pin-Kontaktelemente mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt bereitgestellt.
  • Die Pin-Kontaktelemente werden jeweils teilweise in einen gemeinsamen Träger aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet.
  • Anschließend wird der Träger samt den eingebetteten Pin-Kontaktelementen auf das Leistungsmodul angeordnet. Dabei wird der Träger derart auf das Leistungsmodul platziert, dass sich die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente jeweils entlang den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter erstrecken.
  • Danach werden die Pin-Kontaktelemente jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern elektrisch verbunden. Hierzu werden die Pin-Kontaktelemente jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt direkt auf den Oberflächenkontakt der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter aufgelötet, aufgesintert, aufgeschweißt, insb. ultraschallgeschweißt.
  • Der Träger wird bspw. in einer Einschubrichtung hin zum Leistungsmodul eingeschoben, bis die ersten Kontaktabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente in einer Kontaktebene liegen, in der sich die Oberflächenkontakte der jeweiligen Leistungshalbleiter erstrecken. Erst danach werden die Pin-Kontaktelemente jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern durch Auflöten, Aufsintern bzw. Aufschweißen elektrisch verbunden.
  • Die ersten Kontaktabschnitte der Pin-Kontaktelemente werden bspw. jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt (bzw. dem Rest) der entsprechenden Pin-Kontaktelemente, der sich (unmittelbar) an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt, um einen Biegewinkel gebogen, der einem Schnittwinkel zwischen der Einschubrichtung des Trägers bzw. der Pin-Kontaktelemente und der Kontaktebene entspricht. Dieser Verfahrensschritt kann vor dem Einbetten der Pin-Kontaktelemente in den Träger erfolgen. Alternativ kann dieser auch nach dem Einbetten der Pin-Kontaktelemente in den Träger jedoch vor dem Anordnen (bzw. Einschieben) des Trägers samt den Pin-Kontaktelementen auf das Leistungsmodul erfolgen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
    • 2 und 3 jeweils in einer weiteren schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Abschnitt der Leistungselektronikanordnung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 zeigt in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Verbund aus mehreren Pin-Kontaktelementen PI und einem Träger TR für die Pin-Kontaktelemente PI.
  • Die Pin-Kontaktelemente PI sind in dieser Ausführungsform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung geformt. Die Pin-Kontaktelemente PI weisen jeweils eine Form eines massiven Stifts bzw. Pins, ähnlich wie ein Einpressstift, mit einer rechteckigen Querschnittfläche auf.
  • Die Pin-Kontaktelemente PI sind in dem gemeinsamen Träger TR mit Ausnahme von jeweiligen beiden freiliegenden Endabschnitten eingebettet. Dabei sind die Pin-Kontaktelemente PI in deren jeweiligen Längsrichtung LR zueinander parallel erstreckend nebeneinander angeordnet. Der Träger TR fixiert die Pin-Kontaktelemente PI in deren jeweiligen Positionen und isolieren zusätzlich die Pin-Kontaktelemente PI voneinander elektrisch.
  • Der Träger TR besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff und ist durch Spritzgießen um die Pin-Kontaktelemente PI geformt. Der Träger TR weist im Wesentlichen eine Quaderform auf, die sich in der Längsrichtung LR der Pin-Kontaktelemente PI und in eine Breitenrichtung BR quer zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei entsprechen die Längsrichtung LR des Trägers TR auch der Längsrichtung des Verbundes und die Breitenrichtung BR des Trägers TR auch der Breitenrichtung des Verbundes. An beiden Längskanten weist der Träger TR jeweils einen Vorsprung VS1 auf, die in der Breitenrichtung BR von der Mitte des Trägers TR weg vorstehend geformt sind und sich in der Längsrichtung LR erstrecken. Diese beiden Vorsprünge VS1 dienen zur Bildung von nachfolgend zu beschreibenden Nut-Feder- Verbindungen.
  • Die Pin-Kontaktelemente PI sind jeweils an einem (unteren) freiliegenden Ende gegenüber dem Rest der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI um denselben Biegewinkel von 90° gebogen. Die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zur Längs- und Breitenrichtung LR, BR des Trägers TR und liegen allesamt in einer Erstreckungsebene EE, die sich senkrecht zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei bilden die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI jeweils einen ersten Kontaktabschnitt K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI zur Herstellung von direkten, stromführenden Verbindungen zu nachfolgend zu beschreibenden Leistungshalbleitern HL.
  • An jeweiligem, dem ersten Kontaktabschnitt K1 abgewandten Ende weisen die Pin-Kontaktelemente PI jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt K2 auf, wobei die zweiten Kontaktabschnitte K2 jeweils zur Herstellung einer direkten Press-Fit-Verbindung oder einer direkten Lötverbindung zu externen elektrischen Kontaktpartnern dienen. Dabei erstrecken sich die zweiten Kontaktabschnitte K2 jeweils in der Längsrichtung LR des Trägers TR und somit senkrecht zu den ersten Kontaktabschnitten K1 der jeweiligen korrespondierenden Pin-Kontaktelemente PI und somit senkrecht zur Erstreckungsebene EE der ersten Kontaktabschnitte K1. Die zweiten Kontaktabschnitte K2 ragen wie die ersten Kontaktabschnitte K1 aus dem Träger TR heraus und liegen somit wie die ersten Kontaktabschnitte K1 frei.
  • Der Träger TR bildet samt den teils eingebetteten Pin-Kontaktelementen PI einen einstückigen Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund TR+PI, der anschließende Transport und Montage der Pin-Kontaktelemente PI erleichtert.
  • 2 und 3 zeigen jeweils in einer weiteren schematischen Vogelperspektivdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Leistungselektronikanordnung LA ist in dieser Ausführungsform als ein Leistungs-Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder als ein Teil vom Leistungs-Inverter gebildet.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA weist ein Gehäuse GH auf, das einen Hohlraum HR umschließt, in dem unter anderem der zuvor beschriebene Verbund aus dem Träger TR und den Pin-Kontaktelementen PI sowie ein Leistungsmodul LM angeordnet sind.
  • Das Leistungsmodul LM weist mehrere Leistungshalbleiter HL auf, die gemeinsam eine mehrphasige Brückenschaltung bilden. Dabei sind Leistungshalbleiter HL entsprechend der Schaltungstopologie der Brückenschaltung auf mehreren DCB- oder AMB-Substraten verteilt angeordnet und über jeweilige elektrische Bodenflächenkontakte mit Leiterbahnen auf den jeweiligen Substraten elektrisch kontaktiert.
  • Die Leistungshalbleiter HL weisen jeweils mehrere Oberflächenkontakte O1, O2 auf, die auf einer der Mitte des Hohlraums HR zugewandten Seite der jeweiligen Leistungshalbleiter HL gebildet sind und zur Bildung von stromführenden Kontaktverbindungen der jeweiligen Leistungshalbleiter HL mit Steuer- bzw. Treiberschaltungen der jeweiligen Leistungshalbleiter HL dienen. Die Oberflächenkontakte O1, O2 sind entsprechend der Art der stromführenden Kontaktverbindungen, nämlich zur Bildung entsprechender Löt-, Sinter- oder (Ultraschal-)Schweißverbindung, entweder lötfähig oder sinterfähig oder (ultraschal-)schweißfähig gebildet.
  • Dabei können die Leistungshalbleiter HL als Leistungs-MOSFETs mit einem Gate-Anschluss und einem Source-Anschluss (zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiters HL) als zwei ersten Oberflächenkontakten 01 und einem weiteren Source- Anschluss (zum Leiten des Laststroms des Leistungshalbleiters HL) als einem zweiten Oberflächenkontakt O2 ausgeführt sein. Alternativ können die Leistungshalbleiter als Leistungs-IGBTs mit einem Gate-Anschluss und ggf. einem Emitter-Anschluss (zum Anlegen der Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiters HL) als erste Oberflächenkontakte 01 und einem weiteren Emitter-Anschluss (zum Leiten des Laststroms des Leistungshalbleiters HL) als einem zweiten Oberflächenkontakt ausgeführt sein.
  • Dabei sind die Substrate bzw. die Leistungshalbleiter HL auf gleiche Bauhöhe angeordnet, sodass die Oberflächenkontakte O1, O2 der Leistungshalbleiter HL sich in einer Kontaktebene KE befinden und in dieser Kontaktebene KE erstrecken, die sich mit der zuvor beschriebenen Erstreckungsebene EE der ersten Kontaktabschnitte K1 der Pin-Kontaktelemente PI vollständig überlappt.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA weist ein Halteelement HE auf, das zwei Vorsprünge VS2 aufweist, die voneinander beabstandet an einer Gehäusewand GW des Gehäuses GH von der Gehäusewand GW weg zur Mitte des Hohlraumes HR hineinragend gebildet sind und sich in einer Senkrechtrichtung SR senkrecht zur Kontaktebene KE erstrecken. In der Senkrechtrichtung SR betrachtet weisen die Vorsprünge VS2 jeweils einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt und somit eine sich in der Senkrechtrichtung SR erstreckende Nut NT auf. Das Halteelement HE bzw. die beiden Vorsprünge VS2 ermöglichen zum einen eine einfache Montage des Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbundes TR+PI durch einfaches Hineinschieben des Verbundes TR+PI entlang den Nuten NT in einer Einschubrichtung, die parallel zur Senkrechtrichtung SR liegt, hin zu dem Leistungsmodul LM. Zum anderen ermöglichen das Halteelement HE bzw. die beiden Vorsprünge VS2 einen stabilen Halt des Verbundes in dem Hohlraum HR des Gehäuses GH nach der Montage der Leistungselektronikanordnung LA.
  • Der Verbund TR+PI ist in dem Hohlraum HR des Gehäuses GH angeordnet. Dabei ist der Träger TR in dessen Längsrichtung LR in einen Zwischenraum zwischen den beiden Vorsprüngen VS2 des Halteelements HE hineingesteckt, wobei die beiden Vorsprünge VS1 des Trägers TR jeweils entlang bzw. parallel zu der Senkrechtrichtung SR in eine der beiden Nuten NT hineingeführt sind und mit den jeweiligen korrespondierenden Nuten NT jeweils eine von zwei Nut-Feder-Verbindungen bilden. Die beiden Nut-Feder-Verbindungen halten den Träger TR und somit den Verbund TR+PI an der Gehäusewand GW bzw. dem Gehäuse GH und somit die Pin-Kontaktelemente PI in ihren jeweiligen Positionen fest und verhindern insb. dass sich die Pin-Kontaktelemente PI und somit die ersten Kontaktabschnitte K1 der Pin-Kontaktelemente PI ungewollt gegenüber den Leistungshalbleitern HL und somit den ersten Oberflächenkontakten 01 verschieben.
  • Die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI liegen jeweils auf den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der jeweiligen Leistungshalbleiter HL auf und sind direkt auf die jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt, insb. ultraschalgeschweißt. Damit sind die ersten Kontaktabschnitte K1 mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 direkt körperlich wie elektrisch kontaktiert. Dabei erstrecken sich die ersten Kontaktabschnitte K1 in der Kontaktebene KE und entlang den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 und sind somit über deren nahezu gesamte Länge mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 körperlich wie elektrisch kontaktiert. Der Träger TR samt den in dem Träger TR eingebetteten Abschnitten der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI sowie die zweiten Kontaktabschnitte K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI erstrecken sich in der Senkrechtrichtung SR senkrecht zur Kontaktebene KE von der Kontaktebene KE weg. Die zweiten Kontaktabschnitte K2 ermöglichen stabile elektrische Verbindungen, bspw. stabile Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen, zwischen den Pin-Kontaktelementen PI einerseits und externen elektrischen Press-Fit-Kontaktpartnern andererseits in einer Verbindungsrichtung, die parallel zur Senkrechtrichtung SR und somit senkrecht zur Kontaktebene KE verläuft.
  • Die Herstellung der Leistungselektronikanordnung LA erfolgt unter anderem in nachfolgenden Verfahrensschritten:
    • Zunächst wird ein Gehäuse GH bereitgestellt, das einen Hohlraum HR zumindest teilweise umschließt und zumindest eine Gehäusewand GW aufweist, an der ein Haltelement HE mit zwei Vorsprüngen VS2 gebildet ist. Dabei werden die beiden Vorsprünge VS2 voneinander beabstandet an der Gehäusewand GW derart geformt, dass diese in deren jeweiligen Erstreckungsrichtungen (die sich parallel zur oben genannten Senkrechtrichtung SR erstreckt) betrachtet jeweils einen C-förmigen Querschnitt und somit eine sich in der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Vorsprünge VS2 erstreckende Nut NT aufweisen.
  • Ferner wird ein Leistungsmodul LM mit mehreren Leistungshalbleitern HL (Leistungs-MOSFETs oder Leistungs-IGBTs) mit Oberflächenkontakten O1, O2 und einem Bodenflächenkontakt bereitgestellt. Dabei werden die Leistungshalbleiter HL auf mehrere DCB- oder AMB-Substrate verteilt platziert und über deren jeweiligen Bodenflächenkontakt auf entsprechende Leiterbahnen der jeweils Substrate aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt und somit elektrisch kontaktiert.
  • Ferner werden Pin-Kontaktelemente PI aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in Stift-Form geformt. Bspw. werden die Pin-Kontaktelemente PI aus einem Draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in Stift-Form gestanzt. Die Pin-Kontaktelemente PI werden in deren jeweiligen Längsrichtung LR betrachtet zueinander parallel nebeneinander platziert und mit einer elektrisch isolierenden Kunststoff-Spritzmaße mit Ausnahme von jeweiligen beiden freiliegenden Endabschnitten (bzw. den jeweiligen ersten und zweiten Kontaktabschnitten K1, K2) vollständig umspritzt. Nach dem Erhärten bildet die Spritzmaße einen Träger TR, der sich im Wesentlichen quaderförmig in der Längsrichtung LR der Pin-Kontaktelemente PI und in der Breitenrichtung BR quer zur Längsrichtung LR erstreckt. Dabei wird der Träger TR derart geformt, dass dieser an dessen beiden Längskanten jeweils einen sich von der Mitte des Trägers TR weg in der Breitenrichtung BR vorsehenden Vorsprung VS1 aufweist, wobei sich die Vorsprünge VS1 in der Längsrichtung LR erstrecken.
  • Die Pin-Kontaktelemente PI werden jeweils an einem (unteren, zueinander korrespondierenden) freiliegenden Endabschnitt um 90° gebogen, wobei sich die gebogenen Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI zueinander parallel und senkrecht zur Längs- und Breitenrichtung LR, BR erstrecken. Diese gebogenen Endabschnitte bilden die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI. Weitere freiliegende Endabschnitte der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI, die den jeweiligen ersten Kontaktabschnitt K1 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI abgewandt liegen, bleiben geradlinig in der Längsrichtung LR der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI und bilden jeweils den zweiten Kontaktabschnitt K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI.
  • Alternativ werden die Pin-Kontaktelemente PI zuerst an dem jeweiligen Endabschnitt (dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt K1) gebogen und danach mit der Kunststoff-Spritzmaße umspritzt.
  • Das Leistungsmodul LM wird samt den Leistungshalbleitern HL in den Hohlraum HR des Gehäuses GH hineingelegt. Dabei wird das Leistungsmodul LM in dem Hohlraum HR derart platziert, dass die Kontaktebene KE der Oberflächenkontakten O1, O2 der Leistungshalbleiter HL senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Nuten NT bzw. der Vorsprunge VS2 des Halteelements HE (bzw. der zuvor genannten Senkrechtrichtung SR) liegt und die Oberflächenkontakte O1, O2 auf einer den Nuten NT bzw. der Mittel des Hohlraumes HR zugewandten Seite der jeweiligen Leistungshalbleiter HL liegen.
  • Danach wird der Träger-Pin-Kontaktelemente-Verbund TR+PI in den Hohlraum HR des Gehäuses GH hineingelegt. Dabei wird der Träger TR samt den Pin-Kontaktelementen PI in dessen Längsrichtung LR in den Zwischenraum zwischen den beiden Vorsprüngen VS2 des Halteelements HE hineingeschoben, wobei die beiden Vorsprünge VS1 des Trägers TR jeweils entlang eine der beiden Nuten NT des Halteelements HE in deren jeweiligen Erstreckungsrichtung (und somit in der zuvor genannten Senkrechtrichtung SR) hindurchgeführt werden. Die dabei entstandenen Nut-Feder-Verbindungen zwischen den Nuten NT am Halteelement HE einerseits und den Vorsprüngen VS1 am Träger TR andererseits halten den Träger TR samt den Pin-Kontaktelementen PI an der Gehäusewand GW fest. Dabei wird der Träger TR „bis zum Anschlag“ hineingeschoben, sodass die ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI in der zuvor genannten Kontaktebene KE auf den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der jeweiligen Leistungshalbleiter HL aufliegen und in der Kontaktebene KE auch mit diesen körperlich kontaktiert sind.
  • Anschließend werden die ersten Kontaktabschnitte K1 mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 durch Löten, Sintern oder (Ultraschal-)Schweißen körperlich wie elektrisch verbunden.
  • Danach werden zweiten Kontaktabschnitte K2 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI mittels Press-Fit-Verbindungen oder Lötverbindungen mit externen elektrischen Press-Fit-Kontaktpartnern, wie z. B. von Treiber- bzw. Steuerschaltungen für die Leistungsmodule LM, elektrisch kontaktiert. Dabei werden die Press-Fit-Kontaktpartner in einer Pressrichtung auf die jeweiligen korrespondierenden zweiten Kontaktabschnitte K2 gepresst bzw. aufgesteckt, die parallel zur Senkrechtrichtung SR bzw. senkrecht zur Kontaktebene KE verläuft.
  • Die Pin-Kontaktelemente PI ermöglichen somit direkte elektrische Verbindungen zu den Leistungshalbleitern HL ohne zusätzlichen Bondverbindungen, wie z. B. mittels Alu-Bonddrähte, die anfällig für mechanische Schwingungen bzw. thermischen Schwankungen sind und zusätzliche „Landefläche“ brauchen. Dadurch, dass die Pin-Kontaktelemente PI aus Kupfer oder einer Kupferlegierung massiv gebaut sind, lassen sich diese einfacherweise auf die jeweiligen ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL auflöten, aufsintern oder aufschweißen, insb. ultraschalschweißen.
  • Die ersten Kontaktabschnitte K1, die zum Rest der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI und somit auch zu den jeweiligen zweiten Kontaktabschnitten K2 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI um einen Biegewinkel von 90° gebogen sind, ermöglichen elektrische Kontaktierungen mit den korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL in der Kontaktebene KE, die senkrecht zur Pressrichtung der zweiten Kontaktabschnitte K2 der entsprechenden Pin-Kontaktelemente PI mit den externen Press-Fit-Kontaktpartnern liegt.
  • Die Nut-Feder-Verbindungen zwischen dem Gehäuse GH bzw. dem Halteelement HE am Gehäuse GH einerseits und dem Träger TR andererseits ermöglichen zum einen eine einfache Montage des Trägers TR in einer Montagerichtung senkrecht zur Kontaktebene KE und andererseits einen stabilen Halt der ersten Kontaktabschnitte K1 der jeweiligen Pin-Kontaktelemente PI gegenüber den korrespondierenden ersten Oberflächenkontakten 01 der Leistungshalbleiter HL in der Kontaktebene KE.

Claims (11)

  1. Leistungselektronikanordnung (LA), aufweisend: - ein Leistungsmodul (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (01); - zwei oder mehr massive Pin-Kontaktelemente (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1); - wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den jeweiligen Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt sind; - wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken; - wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial eingebettet sind.
  2. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 1, wobei die ersten Kontaktabschnitte (K1) der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils gegenüber dem jeweiligen Abschnitt der entsprechenden Pin-Kontaktelemente (PI) gebogen sind, der sich an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt anschließt.
  3. Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) in einer Kontaktebene (KE) befinden, in der sich die Oberflächenkontakte (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) erstrecken, wobei sich der Träger (TR) samt den Abschnitten der Pin-Kontaktelemente (PI), die in dem Träger (TR) eingebettet sind, von der Kontaktebene (KE) weg erstreckt.
  4. Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils an einem von dem jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) abgewandten Bereich einen zweiten Kontaktabschnitt (K2) aufweisen, der zur Bildung einer elektrisch leitenden Verbindung eingerichtet ist.
  5. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Ansprüchen 3 und 4, wobei sich die zweiten Kontaktabschnitte (K2) von der Kontaktebene (KE) weg erstrecken.
  6. Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner ein Halteelement (HE) aufweist, wobei das Halteelement (HE) mit dem Träger (TR) in Richtungen parallel zur Kontaktebene (KE) formschlüssig verbunden ist und den Träger (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) gegenüber den Leistungshalbleitern (HL) festhält.
  7. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 6, wobei das Halteelement (HE) mit dem Träger (TR) mittels mindestens einer Nut-Feder-Verbindung formschlüssig verbunden ist, wobei sich die Nut (NT) dieser Verbindung von der Kontaktebene (KE) weg erstreckt.
  8. Leistungselektronikanordnung (LA) nach Anspruch 6 oder 7, die ferner ein Gehäuse (GH) aufweist, in dem das Leistungsmodul (LM) samt den Leistungshalbleitern (HL) und der Träger (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) angeordnet sind, wobei das Halteelement (HE) ein Teilabschnitt des Gehäuses (GH) ist oder an dem Gehäuse (GH) befestigt ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung (LA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bereitstellen eines Leistungsmoduls (LM) mit zwei oder mehr Leistungshalbleitern (HL) mit jeweils einem Oberflächenkontakt (O1); - Bereitstellen von zwei oder mehr massiven Pin-Kontaktelementen (PI) mit jeweils einem ersten Kontaktabschnitt (K1); - Einbetten der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils teilweise in einem gemeinsamen Träger (TR) aus einem elektrisch isolierenden Isoliermaterial; - Anordnen des Trägers (TR) samt den Pin-Kontaktelementen (PI) auf das Leistungsmodul (LM) derart, dass sich die ersten Kontaktabschnitte (K1) jeweils entlang den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalbleiter (HL) erstrecken; - Verbinden der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils mit den jeweiligen Leistungshalbleitern (HL) elektrisch durch Auflöten, Aufsintern, Aufschweißen oder Ultraschallschweißen der Pin-Kontaktelemente (PI) jeweils über deren jeweiligen ersten Kontaktabschnitt (K1) direkt auf den Oberflächenkontakt (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit folgenden Verfahrensschritten: - Anordnen des Trägers (TR) auf das Leistungsmodul (LM) durch Einschieben des Trägers (TR) in einer Einschubrichtung hin zum Leistungsmodul (LM), bis die ersten Kontaktabschnitte (K1) der jeweiligen Pin-Kontaktelemente (PI) in einer Kontaktebene (KE) liegen, in der sich die Oberflächenkontakte (O1) der jeweiligen Leistungshalbleiter (HL) erstrecken.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die ersten Kontaktabschnitte (K1) der Pin-Kontaktelemente (PI) vor dem Schritt des Anordnens gegenüber dem jeweiligen Abschnitt bzw. dem Rest der entsprechenden Pin-Kontaktelemente (PI), der sich an dem jeweiligen korrespondierenden ersten Kontaktabschnitt (K1) anschließt, jeweils um einen Biegewinkel gebogen werden, wobei der Biegewinkel einem Schnittwinkel zwischen der Einschubrichtung und der Kontaktebene (KE) entspricht.
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