WO2023174984A1 - Electronic circuit and method of manufacturing the same, and improved active power semiconductor for incorporation in the electronic circuit and method of manufacturing the same - Google Patents

Electronic circuit and method of manufacturing the same, and improved active power semiconductor for incorporation in the electronic circuit and method of manufacturing the same Download PDF

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Ekkehard Kress
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Iie Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit and a method for producing it according to the preamble of claim 1 or claim 8, as well as an improved active power semiconductor for installation in the electronic circuit and a method for producing it according to the preamble of claim 5 or claim 6 .
  • transistor modules are available on the market, which primarily contain SiCFETs in different topologies (e.g. as half or full bridge circuits).
  • the transistor modules are intended for direct PCB assembly and have contact pins. They have high performance in relation to their size with a current carrying capacity of around 200 A per transistor functional element.
  • the module must be mounted with the underside directly on a heat sink to dissipate the power loss.
  • a circuit board is placed on the top, which simultaneously handles the wiring of the power circuit and the control circuit.
  • the transistor modules are designed with their contact pins for press-fit or soldered connections to the circuit board. The power range of these new modules enables applications up to the 100 kW range, at least in terms of the semiconductor specifications.
  • An additional ground connection is therefore led out of the semiconductor component as an additional pin (Kelvin connection) as a reference potential for the gate connection.
  • the component no longer has three but four connection pins. This allows the control circuit to be easily separated from the power circuit, although there is still a galvanic connection between the two. Since several discrete power semiconductors have to be used to achieve the same performance class as the transistor modules described above, a relatively large-area structure is necessary here. A lot of space is also required in order to be able to shield the control circuit from the power circuit. This large-scale structure is not only a space problem, but also creates significant parasitic effects.
  • the new electronic circuit should have the highest possible efficiency and low parasitic capacitances while also requiring little space. Nevertheless, the electronic circuit should also be usable at high frequencies and for high power.
  • the control circuit includes the actual control for switching the at least one active power semiconductor, as well as the driver or drivers for it.
  • the entire control circuit operated at low voltage is therefore arranged on a separate circuit board and is therefore not disturbed by a power circuit operated at high switching frequency. Additional shielding measures are usually not necessary because the power circuit is on a separate circuit board.
  • control circuit and the power circuit are connected via the connections of the at least one active power semiconductor over very short current-carrying paths.
  • the structure of the electronic circuit according to the invention ensures high efficiency and has only low parasitic capacitances.
  • control circuit refers here in particular to the drivers for the power semiconductors.
  • further control elements that are operated at low voltage can be arranged on the second circuit board.
  • the intermediate circuit capacitors for the power circuit are also arranged on the first circuit board.
  • Electronic circuits according to the state of the art mostly use multilayer printed circuit boards. In order to be able to switch high outputs, very wide conductor tracks must be provided. There may even be additional copper structures necessary to be able to provide the necessary cable cross-sections. Since in the electronic circuit according to the invention the power circuit is arranged on a different circuit board than the control circuit, the first circuit board on which the power circuit is arranged can be designed as a metal core circuit board. Creating the necessary current-carrying capacity is easily possible in this way, since a higher current density within the conductor tracks can be utilized due to better heat dissipation.
  • the first circuit board is connected in a thermally conductive manner to a heat sink on the side opposite the at least one active power semiconductor.
  • the connection is particularly advantageously realized with the help of solder, but a connection with a thermal adhesive is also possible.
  • the heat sink can be either a heat sink in which the heat is dissipated via a coolant inside the heat sink, for example a cooling fluid guided through the heat sink, or a heat sink that is cooled from the outside, for example with air.
  • the first circuit board When equipping the first circuit board with several active power semiconductors and a corresponding arrangement of the components on the first circuit board, it might be possible to connect the second circuit board with the control circuit only via the control connections of the active power semiconductors, which are bent upwards and soldered in the receiving holes, to the first Connect circuit board.
  • spacers are advantageously provided between the first circuit board and the second circuit board. This not only has advantages during manufacturing, but can also prevent vibrations from being transmitted from the power circuit to the control circuit during operation.
  • An improved active power semiconductor is required to construct the electronic circuit according to the invention.
  • This improved active power semiconductor has several power connections in the direction of its base area, with which it sits on a circuit board, and the control connection or connections in the opposite direction aligned. This allows an active power semiconductor to be soldered directly to two circuit boards. This also makes it possible to separate the power circuit and control circuit on two independent circuit boards without having to accept long current paths.
  • Active power semiconductors in an SMD (Surface Mounted Device) housing are a mass-produced product that comes onto the market in such a way that all connections can be soldered to a circuit board using an SMD process.
  • SMD Surface Mounted Device
  • improved active power semiconductors must therefore be manufactured from commercially available active power semiconductors.
  • an active power semiconductor with an SMD housing which is intended for soldering to a circuit board and has one or more control connections aligned in the direction of the circuit board to be soldered and a plurality of power connections also aligned in the direction of the circuit board to be soldered, is fed to a bending device and the or the control terminals aligned in the direction of the circuit board to be soldered are bent in the opposite direction.
  • control connection(s) can be bent in the desired direction as described above.
  • connections of an active power semiconductor are very thin and are mainly held in position by the housing.
  • the control connections to be bent are clamped close to the housing.
  • At least one improved active power semiconductor is produced - as also described above. Furthermore, a first circuit board with electronic components for the power circuit, spacers for a second circuit board and at least equipped with at least one improved active power semiconductor. A second printed circuit board is provided with one or more receiving holes for the control connection(s) of the at least one improved active power semiconductor and is equipped with electronic components for the control circuit.
  • the second circuit board is then placed on the first circuit board.
  • both circuit boards are soldered together in one operation.
  • the step for producing the at least one improved active semiconductor is advantageously carried out first.
  • the two circuit boards can then be assembled in parallel. Of course, it is also possible to process all steps serially.
  • the assembly of the circuit boards is to be carried out in an assembly machine, it makes sense to place the two circuit boards in a common holder so that the assembly machine does not have to be converted to different widths of the circuit boards. Both circuit boards can be populated on the holder in one go.
  • the receiving holes in the second circuit board are filled with solder paste, for example, before the soldering process, so that a good electrical transition can be generated between the at least one control connection of the at least one improved active semiconductor and the control circuit during the soldering process.
  • solder paste when heated during the soldering process - runs down out of the mounting holes. It must also be prevented that a short circuit occurs between the control connections due to solder running down the control connections.
  • the control terminal(s) of the at least one improved active power semiconductor to be soldered to the second circuit board are therefore provided with a safeguard against the leakage of solder from the receiving holes of the second circuit board during the soldering process.
  • both the first circuit board and the second circuit board are soldered individually after assembly. In this way, complete first and second circuit boards can be manufactured in stock, stored and only assembled when required.
  • the first circuit board is advantageously connected to a heat sink in a thermally conductive manner, in particular soldered.
  • the time at which the first circuit board and heat sink are brought together basically depends on the manufacturing process.
  • the electronic circuit according to the invention can advantageously be manufactured completely in an appropriately equipped placement machine. However, it is also possible to use handling robots for individual or all production steps.
  • the second circuit board can also be placed on the first circuit board either with a handling robot or with the assembly machine.
  • the heat sink can be coupled to the first circuit board before assembly.
  • the height for continuous circuit boards is limited. With a higher heat sink, this can mean that the throughput height of the assembly machine is no longer sufficient for a circuit board that is already coupled to the heat sink. In this case, it makes sense to add the heat sink only after it has been fitted. For example, the two assembled circuit boards can be brought together very precisely in the machine. The two circuit boards can then be inserted into another holder in which the heat sink is already located, so that the circuit boards are brought together with the heat sink only behind the assembly machine.
  • the second circuit board is placed on the first circuit board and the control connections of the at least one active power semiconductor on the first circuit board are soldered to the second circuit board using a handling robot. In this way, after connecting the circuit boards, only one automatic soldering process needs to be carried out. Further details and advantages of the invention result from the description of an exemplary embodiment, which is explained in detail with reference to the drawing.
  • FIG. 1 shows an improved active power semiconductor according to the invention in side view
  • FIG. 2 shows the component from FIG. 1 in a front view
  • FIGS. 1 and 2 show the upwardly curved electrical connections of the component from FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the bending process in a bending device according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows part of the bending device according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows part of a bending device according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 8 is a flow chart for producing the electronic device according to the invention
  • FIG. 9 circuit diagram for a SiC-MOS-FET component used in the circuit according to Fig. 4.
  • Pin 1 and 2 show an example of a SiC MOSFET in an SMD housing with 7 connection pins and the drain connection 2 as an active power semiconductor 1.
  • Pin 3 is designed as a gate connection
  • pin 4 as a driver source connection
  • the 5 pins 5 are designed as power source connections (see also the circuit diagram according to Fig. 9). Both the gate terminal 3 and the driver-source terminal 4, both of which are to be connected to the low-power control and driver circuit, are bent upwards.
  • a SiC MOSFET is only mentioned here as an example. However, it should be emphasized that the invention of course also applies to other active power semiconductors in an SMD housing with connection pins protruding from the housing. Even active ones Power semiconductors in a different package such as GaNFETs can be used. In such components, where all connections are usually designed as soldering surfaces facing downwards, changes must be made so that the connections for the control and driver circuit are led out upwards and thus have a short path to an upper circuit board (see Fig. 4). can be connected.
  • FIG. 3 A detail from Fig. 2, which only shows the two upwardly bent pins 3 and 4 in an enlarged form, is shown in Fig. 3.
  • An elastic adhesive 6 is inserted between the two pins 3 and 4.
  • This adhesive 6 is intended to prevent the liquefied solder from running between the pins 3 and 4 during the soldering process from the receiving holes 10 of an upper circuit board 9 with the control and driver circuit attached above the active power semiconductor or above the power semiconductors 1, thereby causing a short circuit generated or then missing for a proper soldering point in the receiving holes 10.
  • the adhesive 6 can be applied with a handling robot directly after the bending process.
  • a silicone disk 7 can also be placed on each of the upwardly bent pins 3 and 4 using a handling robot become. Any openings in the silicone washers 7 must be so narrow that the silicone washers 7 enclose the pins tightly and are held securely there. They may only be moved minimally downwards through the circuit board 9 when the upper circuit board 9 is put on, so that the lower openings of the receiving holes 10 are securely closed.
  • FIG. 4 now shows an electronic circuit in which four active power semiconductors 1 are connected in parallel. Directly behind the visible power semiconductors 1, another four power semiconductors can be arranged, which are also connected in parallel. These two legs can then be connected in series. With this arrangement, powers above 50 kW can be easily switched. It is ideal for use in high-power voltage converters. For example, if three such legs are connected together, a frequency can be achieved. Frequency converter circuit for speed control of electric motors up to 200 kW can be implemented.
  • the lower circuit board 8 is mounted on a heat sink 11 (heat sink) which has a coolant inflow 12 and a coolant outflow 13.
  • heat sink 11 heat sink
  • the coolant channels 12 and 13 can run perpendicular to the direction shown in FIG. 4.
  • the heat sink 11 is designed so that the best possible cooling of the active power semiconductors 1 is guaranteed.
  • a further lower circuit board can be mounted on the heat sink 11 (not shown here) compared to the lower circuit board 8 shown.
  • the heat sink 12 is then designed so that it can absorb the waste heat from both lower circuit boards and transport it away via the coolant.
  • 4 active power semiconductors are connected in parallel on the lower circuit board 8 and soldered there to their power source connections 5 and the drain connections 2.
  • the upwardly bent pins 3 and 4 (the gate connection and the driver source connection) are soldered into the receiving holes 10 of the upper circuit board 9.
  • the upper circuit board 9 is connected to the lower circuit board 8 via the spacers 11. Only the power electronics are installed on the lower circuit board 8, while only the control and driver circuit is installed on the upper circuit board 9. So only the lower circuit board 8 needs to be actively cooled.
  • the bending process for the driver source 3 and the gate connection 4 will now be explained using Figures 5 to 7.
  • the lower circuit board 8 and the upper circuit board 9 can be assembled with a handling robot or with an automatic assembly machine.
  • the bending device is advantageously integrated into the placement machine.
  • Pins 3 and 4 are advantageously bent upwards immediately after the active power semiconductors 1 have been removed from the packaging or from a magazine. To avoid damage, it must be prevented be that mechanical stresses are introduced into the housing of the active power semiconductor 1 during the bending process.
  • an upper clamping stamp 15 and a lower clamping stamp 16 are provided. With these two clamping stamps 15 and 16, which are moved to pins 3 and 4 from above and below, respectively, the two pins are clamped and thus fixed in their position.
  • the upper clamping stamp 15 is rectangular in cross section.
  • One edge (seen in the drawing below on the right) is provided with a bending radius (not shown) to prevent the two pins 3 and 4 from tearing during bending and thereby possibly becoming unstable or even breaking off.
  • the clamping position with the clamping stamps 15 and 16 moved to pins 3 and 4 is shown in FIG. 5a.
  • the bending punch which also has a rectangular cross section in this exemplary embodiment, is located in its rest position below pins 3 and 4.
  • the bending punch 17 is now moved upwards - as shown in FIG. 5b.
  • the pins 3 and 4 are bent over the edge with the bending radius of the upper clamping stamp 15 and pressed against the straight front surface of the upper clamping stamp 15, which is located behind the right vertical edge of the upper clamping stamp 15 in the drawing.
  • the bending punch 17 only acts on pins 3 and 4, while the remaining pins 5 (power source connections) are not affected by the bending process and remain in their original position.
  • Fig. 5C shows a position corresponding to the position shown in Fig. 5A, in which the bending punch 17 is already in its rest position below the original position of the pins. In contrast to Fig. 5A, however, pins 3 and 4 are already in their upwardly bent position.
  • the forming die 18 has a V-shaped die recess 20.
  • the shape of the shaping stamp 19 is adapted to the die recess 20. Its thickness corresponds to the depth of the die recess 20.
  • the forming punch 19 is shaped approximately to a point, so that it is ensured that it can penetrate between the two free ends of the parallel, upwardly bent pins 3 and 4.
  • FIG. 5d now shows a position of the bending device in which the shaping die 18 has moved up to the upper clamping punch 15 together with the shaping punch 19 that can be moved therein.
  • the upwardly bent pins 3 and 4 are now located within the die recess 20 and are therefore not visible in Fig. 5d.
  • the forming stamp 19 is now moved downwards into the position shown in Fig. 6b.
  • the lower tip of the shaping punch 19 forces itself between the free ends of the two pins 3 and 4 and presses them outwards onto the side walls of the die recess 20.
  • the shaping die 19 is now moved upwards again and the shaping die 18 is brought back into its rest position ( see Figures 5a, 5b, 5c, 5f), the pins 3 and 4 are bent upwards and run in such a way that the distance between the two pins is greatest at the level of their free ends and is sufficient to place the upper circuit board 9 on it while doing so To be able to insert pins into the two mounting holes 10.
  • the two receiving holes 10 are spaced apart from one another to such an extent that problem-free soldering without bridging between the receiving holes 10 is possible.
  • FIG. 7a showing a front view of the upper clamping punch 15a
  • FIG. 7b showing a top view of the upper clamping punch 15a and the bending punch 17a.
  • the upper clamping stamp 15a has a V-shaped straight surface 21 in the middle on its front side. Outside this straight surface 21 there are two angled surfaces 22, which have a small angle of less than 10 ° compared to the straight surface 21. A bending radius is again formed on the lower edge of these angled surfaces 22, which also runs at the specified angle to the lower edge of the straight surface 21.
  • the straight surface 21 merges into the respective angled surface 22 via a connecting slope 23.
  • the corresponding side of the bending punch 17a is roof-shaped.
  • the roof slope is adapted to the angled surfaces 22 of the upper clamping stamp 15a.
  • the pins 3 and 4 are not bent over a straight edge as in the exemplary embodiment first described, but over an angled edge.
  • the pins 3 and 4 are already in the V-shaped position, in which the free ends are at a greater distance from one another than the ends fixed in the housing.
  • the connecting bevels 23 of the upper clamping stamp 15a serve for guidance so that a precisely defined position can be achieved.
  • the lower circuit board 8 is prepared with the power circuit
  • the active power semiconductors 1 are prepared for equipping the lower circuit board 8
  • the upper circuit board 9 is prepared with the control and driver circuit.
  • a metal core circuit board is prepared for equipping electronic components on its top side and for mounting a heat sink on its bottom side.
  • the circuit board 8 is advantageously prepared for assembly with SMD components. The soldering paste is then applied accordingly. Since these are known procedures, these sub-steps do not need to be described in detail.
  • the underside of the circuit board 8 is advantageously treated only with flux.
  • the heat sink 12 is now placed on the underside of the metal core printed circuit board prepared in this way.
  • dowel pins or guide grooves can also be provided, which hold the heat sink in position until the soldering process.
  • the heat sink 12 can also be treated with flux and a suitable solder foil can be applied to the heat sink.
  • the spacers 11 are then attached, via which the connection to the upper circuit board 9 is later established.
  • the spacers 11 are advantageously also connected to the lower circuit board 8 via soldering paste and then soldered to the lower circuit board 8 in the later soldering process.
  • the active power semiconductors 1 are prepared so that they can later be incorporated into the assembly of the lower circuit board 8.
  • the power semiconductors 1 are removed in method step 28 either directly from the packaging or from a magazine and inserted into a bending device.
  • the space between the two upwardly bent pins 3 and 4 is then filled either with an elastic adhesive or with covering material 6 or silicone washers 7 are placed on the free ends of the upwardly bent pins 3 and 4.
  • an elastic adhesive or with covering material 6 or silicone washers 7 are placed on the free ends of the upwardly bent pins 3 and 4.
  • ESD protection electrostatic discharge protection
  • a piece of self-adhesive copper tape is used, with which the gate connection 3 and the driver-source connection 4 of each improved active power semiconductor are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the process steps 28 to 30 of the second process strand are repeated until there are as many prepared power semiconductors 1 in the buffer as they are needed to equip the lower circuit board 8.
  • the upper circuit board 9 is provided with the receiving holes 10 for the upwardly bent pins 3 and 4 of the prepared power semiconductors 1.
  • the upper circuit board 9 is also a circuit board that is equipped with SMD components.
  • the solder paste is now also applied to the upper circuit board 9.
  • the receiving holes 10 for the upwardly curved pins 3 and 4 of the improved active power semiconductor 1 must also be filled with solder paste (according to a known THR process).
  • the places on the underside of the upper circuit board 9, where the spacers 11 will later be placed are provided with solder paste.
  • the spacers 11 can also be coated on their top with solder paste.
  • both circuit boards 8 and 9 can be populated.
  • the assembly can take place in an assembly machine or with a handling robot.
  • the bending device can be integrated directly into the placement machine.
  • it makes sense to place both the lower 8 and the upper circuit board 9 on a holding device in the working area of the handling robot.
  • the assembly can then be carried out one after the other or in parallel by at least two handling robots.
  • the circuit boards 8 and 9 are also inserted into a common holder and fed together to the assembly machine on this holder.
  • the electronic components for the power circuit are placed on the lower circuit board 8.
  • This also includes the already prepared active power semiconductors 1 stored in the buffer. It also includes a connection terminal, which must be accessible even after the upper circuit board 9 has been put on, so that the necessary lines can also be connected after the soldering process.
  • method step 34 the upper circuit board 9 is populated by putting on all the components necessary for the control and driver circuit.
  • method steps 31 and 34 are advantageously carried out in parallel in the placement machine.
  • both circuit boards 8 and 9 are connected to one another in method step 35.
  • the upper circuit board 9 is lowered or the lower circuit board 8 is raised.
  • the upwardly bent pins 3 and 4 of the power semiconductors 1 penetrate into the receiving holes 10 in the upper circuit board 9 filled with solder paste.
  • the circuit boards 8 and 9 are brought together until the upper circuit board 9 rests on the spacers 11. It can be attached using screws or glued with a high-temperature-resistant adhesive.
  • the upper circuit board 9 is also advantageously soldered to the spacers 11. When using an automatic placement machine, this process step is advantageously also carried out in the placement machine.
  • soldering process can now be carried out in method step 36.
  • both the components of the upper circuit board 9 and the components of the lower circuit board 8 and the heat sink 12 are soldered at the same time. This ensures that the thermal load on the electronic components is as low as possible.
  • the lower 8 and the upper circuit board 9 are each individually assembled and soldered.
  • the heat sink 12 can then be connected to the lower, fully soldered circuit boards 8. This process is advantageously carried out with low-temperature solder in a vacuum chamber. If the method is designed correctly, it is possible in this way to carry out the soldering process without flux and thus to obtain a composite of heat sink 12 and lower circuit board 8, in which a very uniform heat transfer from the lower circuit board 8 to the heat sink 12 is ensured via the connecting surface is. It is of course also possible to connect the lower circuit board or the lower circuit boards to the heat sink 12 in another way that ensures good heat transfer. An example of this is bonding with a thermal adhesive.
  • two lower circuit boards are soldered to a heat sink 12, so that the heat sink 12 is located between the two lower circuit boards. In this way, two lower circuit boards can be cooled with just one heat sink 12.
  • the lower circuit board 8 with the power circuit and the intermediate capacitors can now be tested.
  • the lower circuit board 8 is energized and the thermal transitions of the soldering points are monitored with a thermal imaging camera.
  • the upper circuit board 9 can be mounted on the lower circuit board 8 and the gate connection 3 and the driver-source connection 4 of the at least one improved active power semiconductor 1 can be soldered to the upper circuit board 9. This is advantageously done with the help of a handling robot. If a heat sink 12 is soldered to two lower circuit boards, two upper circuit boards are of course also mounted on this module.
  • a finished module then consists of a heat sink 12, two lower circuit boards soldered with their undersides on two opposite surfaces of the heat sink 12, and an upper circuit board mounted on the top of each lower circuit board.

Abstract

The invention is based on an electronic circuit having a first printed circuit board (8) and at least one second printed circuit board (9) arranged in parallel having at least one active power semiconductor (1) having one or more control terminals (3, 4) and having a plurality of power terminals (2, 5), having a control circuit for controlling the at least one active power semiconductor (1), and a power circuit, wherein the control terminal(s) (3, 4) are connected to the control circuit and the power terminals (2, 5) are connected to the power circuit. According to the invention, the power circuit is arranged on the first printed circuit board (8) and the control circuit is arranged on the second printed circuit board (9), wherein the power terminals (2, 5) of the at least one active power semiconductor (1) are soldered to the power circuit on the first printed circuit board (8) and the control terminal or terminals (3, 4) are soldered to the control circuit on the second printed circuit board (9).

Description

Elektronische Schaltung und Verfahren zu deren Herstellung, sowie verbesserter aktiver Leistungshalbleiter zum Einbau in die elektronische Schaltung und Verfahren zu dessen Herstellung Electronic circuit and process for its production, as well as improved active power semiconductor for installation in the electronic circuit and process for its production
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 8, sowie einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiter zum Einbau in die elektronische Schaltung und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff von Anspruch 5 bzw. Anspruch 6. The invention relates to an electronic circuit and a method for producing it according to the preamble of claim 1 or claim 8, as well as an improved active power semiconductor for installation in the electronic circuit and a method for producing it according to the preamble of claim 5 or claim 6 .
Auf dem Markt sind neuartige Transistormodule verfügbar, die vorwiegend SiCFETs in unterschiedlichen Topologien (z.B. als Halb- bzw. Vollbrückenschaltung) beinhalten. Die Transistormodule sind für die direkte Leiterplattenmontage vorgesehen und weisen Kontaktierungsstifte auf. Sie besitzen eine auf die Baugröße bezogene hohe Leistungsfähigkeit mit einer Stromtragfähigkeit von etwa 200 A pro Transistor-Funktionselement. Das Modul ist mit der Unterseite direkt auf eine Wärmesenke zur Abfuhr der Verlustleistung zu montieren. Auf der Oberseite ist eine Leiterplatte aufgesetzt, die gleichzeitig die Verdrahtung des Leistungskreises und die des Steuerkreises übernimmt. Die Transistormodule sind mit ihren Kontaktstiften für Einpress- oder Lötverbindungen mit der Leiterplatte ausgelegt. Der Leistungsbereich dieser neuartigen Module ermöglicht, zumindest von den Spezifikationen der Halbleiter her, Anwendungen bis in den 100 kW Bereich. New types of transistor modules are available on the market, which primarily contain SiCFETs in different topologies (e.g. as half or full bridge circuits). The transistor modules are intended for direct PCB assembly and have contact pins. They have high performance in relation to their size with a current carrying capacity of around 200 A per transistor functional element. The module must be mounted with the underside directly on a heat sink to dissipate the power loss. A circuit board is placed on the top, which simultaneously handles the wiring of the power circuit and the control circuit. The transistor modules are designed with their contact pins for press-fit or soldered connections to the circuit board. The power range of these new modules enables applications up to the 100 kW range, at least in terms of the semiconductor specifications.
Durch immer höher werdende Schaltfrequenzen, die durch die modernen Halbleiter möglich werden, müssen immer umfassendere Maßnahmen getroffen werden um die Steuerkreise so zu isolieren, dass sie weitgehend unbeeinflusst von der mit hoher Frequenz geschalteten Leistung bleiben. Das lässt sich bis zu einem gewissen Grad durch optimierte Leiterbahnen auf den verwendeten, in Mehrlagen-Technik ausgeführten Leiterplatten realisieren. Auch zusätzliche Isolationsmaßnahmen sind möglich. Die erwähnten Maßnahmen benötigen jedoch viel Platz. Auch lässt sich die oben angeführte Maximalleistung durch diese Maßnahmen kaum erhöhen. Statt mit den oben beschriebenen Transistormodulen lassen sich solche Schaltungen für hohe Leistungen auch mit diskreten Leistungshalbleitern realisieren. So sind inzwischen entsprechende aktive Leistungshalbleiter in einem Gehäuse für THD-Löttechnik (Through Hole Technology) auf dem Markt verfügbar. Diese Bauelemente verfügen sogar über einen Kelvin Anschluss für die Ansteuerung. Es wird also ein zusätzlicher Masseanschluss als zusätzlicher Pin (Kelvin Anschluss) als Bezugspotenzial für den Gate-Anschluss aus dem Halbleiterbauelement herausgeführt. Damit lassen sich Masseschleifen zwischen dem Steuer- und dem Leistungskreis eliminieren. Das Bauelement hat damit nicht mehr drei sondern vier Anschlusspins. Damit kann der Steuerkreis auf einfache Weise vom Leistungskreis getrennt werden, obwohl immer noch eine galvanische Verbindung zwischen beiden besteht. Da hier für das Erreichen der gleichen Leistungsklasse wie bei den oben beschriebenen Transistormodulen mehrere diskrete Leistungshalbleiter verwendet werden müssen, ist hier ein relativ großflächiger Aufbau notwendig. Es wird auch wiederum viel Platz benötigt, um den Steuerkreis entsprechend von dem Leistungskreis abschirmen zu können. Dieser großflächige Aufbau ist nicht nur ein Platzproblem, sondern erzeugt auch erhebliche parasitäre Effekte. Due to ever higher switching frequencies made possible by modern semiconductors, ever more comprehensive measures must be taken to isolate the control circuits so that they remain largely unaffected by the power switched at high frequency. This can be achieved to a certain extent through optimized conductor tracks on the printed circuit boards used using multi-layer technology. Additional isolation measures are also possible. However, the measures mentioned require a lot of space. The maximum performance listed above can hardly be increased through these measures. Instead of using the transistor modules described above, such circuits for high performance can also be implemented using discrete power semiconductors. Corresponding active power semiconductors in a housing for THD soldering technology (Through Hole Technology) are now available on the market. These components even have a Kelvin connection for control. An additional ground connection is therefore led out of the semiconductor component as an additional pin (Kelvin connection) as a reference potential for the gate connection. This eliminates ground loops between the control and power circuits. The component no longer has three but four connection pins. This allows the control circuit to be easily separated from the power circuit, although there is still a galvanic connection between the two. Since several discrete power semiconductors have to be used to achieve the same performance class as the transistor modules described above, a relatively large-area structure is necessary here. A lot of space is also required in order to be able to shield the control circuit from the power circuit. This large-scale structure is not only a space problem, but also creates significant parasitic effects.
Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung eine elektronische Schaltung, ein Verfahren zu deren Herstellung, einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiter zum Einbau in die elektronische Schaltung und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen. Die neuartige elektronische Schaltung sollte einen möglichst hohen Wirkungsgrad und geringe parasitäre Kapazitäten bei ebenfalls geringem Platzbedarf aufweisen. Trotzdem sollte die elektronische Schaltung auch bei hohen Frequenzen und für hohe Leistungen einsetzbar sein. It was therefore the object of the invention to create an electronic circuit, a method for producing it, an improved active power semiconductor for installation in the electronic circuit and a method for producing it. The new electronic circuit should have the highest possible efficiency and low parasitic capacitances while also requiring little space. Nevertheless, the electronic circuit should also be usable at high frequencies and for high power.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 9, sowie einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiter zum Einbau in die elektronische Schaltung und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 6 bzw. Anspruch 7. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is achieved according to the invention by an electronic circuit and a method for producing it according to claim 1 or claim 9, as well as an improved active power semiconductor for installation in the electronic circuit and a method for producing it according to claim 6 or claim 7. Further details and advantages of the invention result from the subclaims.
Dadurch, dass der Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte und der Steuerkreis auf der zweiten Leiterplatte angeordnet sind und dadurch dass die Leistungsanschlüsse des we- nigstens einen aktiven Leistungshalbleiters mit dem Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte und der oder die Steueranschlüsse mit dem Steuerkreis auf der zweiten Leiterplatte verlötet sind, wird eine ausgezeichnete räumliche Trennung von Steuerkreis und Leistungskreis bei sehr geringer Baugröße der elektronischen Schaltung möglich. Der Steuerkreis umfasst die eigentliche Steuerung für das Schalten des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters, sowie den oder die Treiber dafür. Der gesamte mit niedriger Spannung betriebene Steuerkreis ist folglich auf einer gesonderten Leiterplatte angeordnet und wird somit nicht von einem mit hoher Schaltfrequenz betriebenen Leistungskreis gestört. Zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen sind normalerweise nicht notwendig, da sich der Leistungskreis auf einer separaten Leiterplatte befindet. Trotzdem sind der Steuerkreis und der Leistungskreis über die Anschlüsse des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters über sehr kurze stromführende Strecken verbunden. Der erfindungsgemäße Aufbau der elektronischen Schaltung sichert einen hohen Wirkungsgrad und hat nur geringe parasitäre Kapazitäten. Durch die Anordnung des Steuerkreises auf einer eigenen Leiterplatte kann die Beeinflussung des Steuerkreises durch hochfrequente Schwingungen vermieden werden. Auch mögliche Rückkopplungen auf den Steuerkreis werden minimiert. Durch die kürzest möglichen Verbindungen innerhalb der Gate-Ansteuerschaltung werden parasitäre Effekte stark vermindert. Die elektronische Schaltung ist daher ausgezeichnet zum hochfrequenten Schalten hoher elektrischer Leistungen geeignet. Because the power circuit is arranged on the first circuit board and the control circuit on the second circuit board and because the power connections of the second circuit board are At least one active power semiconductor is soldered to the power circuit on the first circuit board and the control connection or connections are soldered to the control circuit on the second circuit board, an excellent spatial separation of the control circuit and the power circuit is possible with a very small size of the electronic circuit. The control circuit includes the actual control for switching the at least one active power semiconductor, as well as the driver or drivers for it. The entire control circuit operated at low voltage is therefore arranged on a separate circuit board and is therefore not disturbed by a power circuit operated at high switching frequency. Additional shielding measures are usually not necessary because the power circuit is on a separate circuit board. Nevertheless, the control circuit and the power circuit are connected via the connections of the at least one active power semiconductor over very short current-carrying paths. The structure of the electronic circuit according to the invention ensures high efficiency and has only low parasitic capacitances. By arranging the control circuit on its own circuit board, the influence of high-frequency vibrations on the control circuit can be avoided. Possible feedback on the control circuit is also minimized. The shortest possible connections within the gate control circuit greatly reduce parasitic effects. The electronic circuit is therefore ideal for high-frequency switching of high electrical power.
Mit dem Ausdruck „Steuerkreis“ sind hier insbesondere die Treiber für die Leistungshalbleiter gemeint. Auf der zweiten Leiterplatte können jedoch noch weitere Steuerelemente angeordnet sein, die mit niedriger Spannung betrieben werden. Es ist aber ebenso möglich, weitere Steuerelemente auf eine dritte Leiterplatte auszulagern. The term “control circuit” refers here in particular to the drivers for the power semiconductors. However, further control elements that are operated at low voltage can be arranged on the second circuit board. However, it is also possible to outsource further control elements to a third circuit board.
Um möglichst kurze elektrische Verbindungen zwischen allen Komponenten realisieren zu können, die mit dem Leistungskreis direkt Zusammenwirken, sind erfindungsgemäß auch die Zwischenkreiskondensatoren für den Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte angeordnet. In order to be able to realize the shortest possible electrical connections between all components that interact directly with the power circuit, according to the invention the intermediate circuit capacitors for the power circuit are also arranged on the first circuit board.
Elektronische Schaltungen nach dem Stand der Technik verwenden meist Mehrschicht-Leiterplatten. Um große Leistungen schalten zu können, müssen sehr breite Leiterbahnen vorgesehen werden. Unter Umständen sind sogar zusätzliche Kupferaufbauten notwendig, um die notwendigen Leitungsquerschnitte zur Verfügung stellen zu können. Da bei der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung der Leistungskreis auf einer anderen Leiterplatte als der Steuerkreis angeordnet ist, kann die erste Leiterplatte, auf der der Leistungskreis angeordnet ist, als Metallkernleiterplatte ausgebildet sein. Die Schaffung der notwendigen Stromtragfähigkeit ist auf diese Weise problemlos möglich, da wegen der besseren Wärmeabfuhr eine höhere Stromdichte innerhalb der Leiterbahnen ausgenutzt werden kann. Electronic circuits according to the state of the art mostly use multilayer printed circuit boards. In order to be able to switch high outputs, very wide conductor tracks must be provided. There may even be additional copper structures necessary to be able to provide the necessary cable cross-sections. Since in the electronic circuit according to the invention the power circuit is arranged on a different circuit board than the control circuit, the first circuit board on which the power circuit is arranged can be designed as a metal core circuit board. Creating the necessary current-carrying capacity is easily possible in this way, since a higher current density within the conductor tracks can be utilized due to better heat dissipation.
Trotz des hohen Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung entsteht durch die Fluss- und Schaltverluste des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters eine nicht unerhebliche Wärmemenge. Um diese gut abführen zu können, ist die erste Leiterplatte auf der dem wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Seite mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden. Besonders vorteilhaft ist die Verbindung mit Hilfe von Lot realisiert, es ist aber auch eine Verbindung mit einem Thermokleber möglich. Bei dem Kühlkörper kann es sich sowohl um einen Kühlkörper handeln, bei dem die Wärme über ein Kühlmittel im Inneren des Kühlkörpers, beispielsweise ein durch den Kühlkörper geführtes Kühlfluid, abgeführt wird, oder um einen Kühlkörper der von außen beispielsweise mit Luft gekühlt wird. Despite the high efficiency of the electronic circuit according to the invention, a not inconsiderable amount of heat is generated by the flow and switching losses of the at least one active power semiconductor. In order to be able to dissipate this well, the first circuit board is connected in a thermally conductive manner to a heat sink on the side opposite the at least one active power semiconductor. The connection is particularly advantageously realized with the help of solder, but a connection with a thermal adhesive is also possible. The heat sink can be either a heat sink in which the heat is dissipated via a coolant inside the heat sink, for example a cooling fluid guided through the heat sink, or a heat sink that is cooled from the outside, for example with air.
Bei der Bestückung der ersten Leiterplatte mit mehreren aktiven Leistungshalbleitern und einer entsprechenden Anordnung der Bauteile auf der ersten Leiterplatte wäre es unter Umständen möglich, die zweite Leiterplatte mit dem Steuerkreis nur über die nach oben gebogenen und in den Aufnahmebohrungen verlöteten Steueranschlüsse der aktiven Leistungshalbleiter mit der ersten Leiterplatte zu verbinden. Vorteilhaft sind jedoch zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte Abstandshalter vorgesehen. Das hat nicht nur Vorteile während der Herstellung, sondern kann während des Betriebs auch verhindern, dass Schwingungen von dem Leistungskreis auf den Steuerkreis übertragen werden. When equipping the first circuit board with several active power semiconductors and a corresponding arrangement of the components on the first circuit board, it might be possible to connect the second circuit board with the control circuit only via the control connections of the active power semiconductors, which are bent upwards and soldered in the receiving holes, to the first Connect circuit board. However, spacers are advantageously provided between the first circuit board and the second circuit board. This not only has advantages during manufacturing, but can also prevent vibrations from being transmitted from the power circuit to the control circuit during operation.
Für den Aufbau der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung wird ein verbesserter aktiver Leistungshalbleiter benötigt. Bei diesem verbesserten aktiven Leistungshalbleiter sind mehrere Leistungsanschlüsse in Richtung seiner Grundfläche, mit der er auf einer Leiterplatte aufsitzt und der oder die Steueranschlüsse in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet. Hierdurch lässt sich so ein aktiver Leistungshalbleiter direkt mit zwei Leiterplatten verlöten. Dadurch wird auch die Trennung von Leistungskreis und Steuerkreis auf zwei voneinander unabhängige Leiterplatten möglich, ohne dass dafür lange Stromwege in Kauf genommen werden müssen. An improved active power semiconductor is required to construct the electronic circuit according to the invention. This improved active power semiconductor has several power connections in the direction of its base area, with which it sits on a circuit board, and the control connection or connections in the opposite direction aligned. This allows an active power semiconductor to be soldered directly to two circuit boards. This also makes it possible to separate the power circuit and control circuit on two independent circuit boards without having to accept long current paths.
Aktive Leistungshalbleiter in einem SMD (Surface Mounted Device) Gehäuse sind ein Massenprodukt, welches so auf den Markt kommt, dass alle Anschlüsse mit einem SMD-Verfahren auf einer Leiterplatte verlötet werden können. Um die erfindungsgemäße elektronische Schaltung realisieren zu können müssen deshalb aus handelsüblichen aktiven Leistungshalbleitern verbesserte aktive Leistungshalbleiter gefertigt werden. Erfindungsgemäß wird hierzu ein aktiver Leistungshalbleiter mit einem SMD-Gehäuse, der zum Verlöten mit eine Leiterplatte bestimmt ist und einen oder mehrere in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichtete Steueranschlüsse und mehrere ebenfalls in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichtete Leistungsanschlüsse aufweist, einer Biegevorrichtung zugeführt und der oder die in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichteten Steueranschlüsse werden in die entgegengesetzte Richtung gebogen. Active power semiconductors in an SMD (Surface Mounted Device) housing are a mass-produced product that comes onto the market in such a way that all connections can be soldered to a circuit board using an SMD process. In order to be able to implement the electronic circuit according to the invention, improved active power semiconductors must therefore be manufactured from commercially available active power semiconductors. According to the invention, an active power semiconductor with an SMD housing, which is intended for soldering to a circuit board and has one or more control connections aligned in the direction of the circuit board to be soldered and a plurality of power connections also aligned in the direction of the circuit board to be soldered, is fed to a bending device and the or the control terminals aligned in the direction of the circuit board to be soldered are bent in the opposite direction.
Um diese spezielle Ausrichtung der Anschlüsse zu erreichen, können der oder die Steueranschlüsse wie oben beschrieben in die gewollte Richtung gebogen werden. Es ist aber ebenso möglich, den oder die Steueranschlüsse bis auf ein kurzes gerade aus dem Gehäuse herausgeführtes Stück zu kürzen und jeweils ein Stück eines leitenden Materials in der gewünschten Länge und Richtung an dem oder den gekürzten Steueranschlüssen anzuschweißen. In order to achieve this special alignment of the connections, the control connection(s) can be bent in the desired direction as described above. However, it is also possible to shorten the control connection or connections to a short piece that is led straight out of the housing and to weld a piece of conductive material in the desired length and direction to the shortened control connection or connections.
Die Anschlüsse eines aktiven Leistungshalbleiters sind sehr dünn und werden hauptsächlich von dem Gehäuse in Position gehalten. Um zu verhindern, dass das Gehäuse während des Biegevorgangs beschädigt wird (z. B. Haarrisse erhält) oder sogar bricht und damit zerstört wird, werden die zu biegenden Steueranschlüsse gehäusenah geklemmt. The connections of an active power semiconductor are very thin and are mainly held in position by the housing. In order to prevent the housing from being damaged during the bending process (e.g. getting hairline cracks) or even breaking and thus being destroyed, the control connections to be bent are clamped close to the housing.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung wird wenigstens ein verbesserter aktiver Leistungshalbleiter, wie er oben beschrieben ist, so - wie ebenfalls oben beschrieben - hergestellt. Weiterhin wird eine erste Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen für den Leistungskreis, Abstandshaltern für eine zweite Leiterplatte und wenigs- tens einem verbesserten aktiven Leistungshalbleiter bestückt. Eine zweite Leiterplatte wird mit einer oder mehreren Aufnahmebohrungen für den oder die Steueranschlüsse des wenigstens einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiters versehen und mit elektronischen Bauteilen für den Steuerkreis bestückt. To produce the electronic circuit according to the invention, at least one improved active power semiconductor, as described above, is produced - as also described above. Furthermore, a first circuit board with electronic components for the power circuit, spacers for a second circuit board and at least equipped with at least one improved active power semiconductor. A second printed circuit board is provided with one or more receiving holes for the control connection(s) of the at least one improved active power semiconductor and is equipped with electronic components for the control circuit.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird dann die zweite Leiterplatte auf die erste Leiterplatte aufgesetzt. Im nächsten Schritt werden beide Leiterplatten zusammen in einem Arbeitsgang gelötet. Vorteilhaft wird der Schritt zur Herstellung des wenigstens einen verbesserten aktiven Halbleiters als Erstes durchgeführt. Die Bestückung der beiden Leiterplatten kann dann parallel vorgenommen werden. Es ist aber selbstverständlich auch eine serielle Abarbeitung aller Schritte möglich. In a first exemplary embodiment, the second circuit board is then placed on the first circuit board. In the next step, both circuit boards are soldered together in one operation. The step for producing the at least one improved active semiconductor is advantageously carried out first. The two circuit boards can then be assembled in parallel. Of course, it is also possible to process all steps serially.
Soll die Bestückung der Leiterplatten in einem Bestückungsautomaten vorgenommen werden, ist es sinnvoll die beiden Leiterplatten in einen gemeinsamen Halter einzusetzen, damit keine Umstellung des Bestückungsautomaten auf unterschiedliche Breiten der Leiterplatten vorgenommen werden muss. Auf dem Halter können beide Leiterplatten in einem Durchgang bestückt werden. If the assembly of the circuit boards is to be carried out in an assembly machine, it makes sense to place the two circuit boards in a common holder so that the assembly machine does not have to be converted to different widths of the circuit boards. Both circuit boards can be populated on the holder in one go.
Die Aufnahmebohrungen in der zweiten Leiterplatte werden beispielsweise vor dem Lötvorgang mit Lotpaste gefüllt, so dass während des Lötvorgangs ein guter elektrischer Übergang zwischen dem wenigsten einen Steueranschluss des wenigstens einen verbesserten aktiven Halbleiters und dem Steuerkreis erzeugt werden kann. Es muss jedoch vermieden werden, dass die Lötpaste - wenn sie während des Lötvorgangs erhitzt wird - nach unten aus den Aufnahmebohrungen herausläuft. Ebenso muss verhindert werden, dass durch an den Steueranschlüssen herunterlaufendes Lot zwischen den Steueranschlüssen ein Kurzschluss entsteht. Es werden deshalb der oder die mit der zweiten Leiterplatte zu verlötenden Steueranschlüsse des wenigstens einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiters mit einer Sicherung gegen das Auslaufen von Lot während des Lötvorgangs aus den Aufnahmebohrungen der zweiten Leiterplatte versehen. Dies kann vorteilhaft durch das Einbringen eines hochtemperaturfesten Klebers zwischen die Steueranschlüsse oder durch Anbringen von Silikonscheiben an den freien Enden der Steueranschlüsse erfolgen. In einem zweiten Ausführungsbeispielwerden sowohl die erste Leiterplatte, als auch die zweite Leiterplatte nach der Bestückung einzeln verlötet. Auf diese Weise können komplette erste und zweite Leiterplatten auf Vorrat gefertigt, gelagert und erst bei Bedarf montiert werden. The receiving holes in the second circuit board are filled with solder paste, for example, before the soldering process, so that a good electrical transition can be generated between the at least one control connection of the at least one improved active semiconductor and the control circuit during the soldering process. However, it must be avoided that the solder paste - when heated during the soldering process - runs down out of the mounting holes. It must also be prevented that a short circuit occurs between the control connections due to solder running down the control connections. The control terminal(s) of the at least one improved active power semiconductor to be soldered to the second circuit board are therefore provided with a safeguard against the leakage of solder from the receiving holes of the second circuit board during the soldering process. This can advantageously be done by introducing a high-temperature-resistant adhesive between the control connections or by attaching silicone washers to the free ends of the control connections. In a second exemplary embodiment, both the first circuit board and the second circuit board are soldered individually after assembly. In this way, complete first and second circuit boards can be manufactured in stock, stored and only assembled when required.
Vorteilhaft wird die erste Leiterplatte mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden, insbesondere verlötet. Der Zeitpunkt der Zusammenführung von erster Leiterplatte und Kühlkörper ist grundsätzlich von dem Fertigungsverfahren abhängig. The first circuit board is advantageously connected to a heat sink in a thermally conductive manner, in particular soldered. The time at which the first circuit board and heat sink are brought together basically depends on the manufacturing process.
Die Fertigung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung kann vorteilhaft komplett in einem entsprechend ausgerüsteten Bestückungsautomaten erfolgen. Es ist aber auch möglich für einzelne oder für alle Fertigungsschritte Handhabungsroboter einzusetzen. Auch die zweite Leiterplatte kann entweder mit einem Handhabungsroboter oder mit dem Bestückungsautomaten auf die erste Leiterplatte aufgesetzt werden. Bei der Verwendung eines oder mehrerer Handhabungsroboter für die Bestückung der Leiterplatten, kann der Kühlkörper bereits vor der Bestückung an die erste Leiterplatte gekoppelt werden. The electronic circuit according to the invention can advantageously be manufactured completely in an appropriately equipped placement machine. However, it is also possible to use handling robots for individual or all production steps. The second circuit board can also be placed on the first circuit board either with a handling robot or with the assembly machine. When using one or more handling robots to assemble the circuit boards, the heat sink can be coupled to the first circuit board before assembly.
Bei bestimmten Bestückungsautomaten ist die Höhe für durchlaufende Leiterplatten beschränkt. Bei einem höheren Kühlkörper kann das dazu führen, dass die Durchlaufhöhe des Bestückungsautomaten für eine Leiterplatte, die bereits an den Kühlkörper gekoppelt ist, nicht mehr ausreicht. In diesem Fall ist es sinnvoll, den Kühlkörper erst nach dem Bestücken zuzuführen. Beispielsweise lässt sich das Zusammenführen der beiden bestückten Leiterplatten noch sehr exakt in dem Automaten bewerkstelligen. Danach können die beiden Leiterplatten in einen anderen Halter eingesetzt werden, in dem sich bereits der Kühlkörper befindet, so dass die Zusammenführung der Leiterplatten mit dem Kühlkörper erst hinter dem Bestückungsautomaten stattfindet. With certain assembly machines, the height for continuous circuit boards is limited. With a higher heat sink, this can mean that the throughput height of the assembly machine is no longer sufficient for a circuit board that is already coupled to the heat sink. In this case, it makes sense to add the heat sink only after it has been fitted. For example, the two assembled circuit boards can be brought together very precisely in the machine. The two circuit boards can then be inserted into another holder in which the heat sink is already located, so that the circuit boards are brought together with the heat sink only behind the assembly machine.
Bei einer separaten Fertigstellung (Verlötung) der beiden Leiterplatten ist es besonders vorteilhaft wenn die zweite Leiterplatte auf die erste Leiterplatte aufgesetzt wird und die Steueranschlüsse des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters auf der ersten Leiterplatte mit einem Handhabungsroboter mit der zweiten Leiterplatte verlötet werden. Auf diese Weise ist nach der Verbindung der Leiterplatten nur noch ein automatischer Lötvorgang auszuführen. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird. If the two circuit boards are completed (soldered) separately, it is particularly advantageous if the second circuit board is placed on the first circuit board and the control connections of the at least one active power semiconductor on the first circuit board are soldered to the second circuit board using a handling robot. In this way, after connecting the circuit boards, only one automatic soldering process needs to be carried out. Further details and advantages of the invention result from the description of an exemplary embodiment, which is explained in detail with reference to the drawing.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßer verbesserter aktiver Leistungshalbleiter in Seitenansicht, 1 shows an improved active power semiconductor according to the invention in side view,
Fig. 2 das Bauteil aus Fig. 1 in Vorderansicht, 2 shows the component from FIG. 1 in a front view,
Fig. 3 die nach oben gebogenen elektrischen Anschlüsse des Bauteils aus den Figuren 1 und 2, 3 shows the upwardly curved electrical connections of the component from FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung, 4 is a schematic side view of the electronic circuit according to the invention,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Biegevorgangs in einer Biegevorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel, 5 shows a schematic representation of the bending process in a bending device according to a first exemplary embodiment,
Fig. 6 ein Teil der Biegevorrichtung nach Fig. 5, 6 shows part of the bending device according to FIG. 5,
Fig. 7 ein Teil einer Biegevorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,7 shows part of a bending device according to a second exemplary embodiment,
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektronischenFig. 8 is a flow chart for producing the electronic device according to the invention
Schaltung und circuit and
Fig. 9 Schaltbild für ein in der Schaltung nach Fig. 4 verwendetes SiC-MOS- FET-Bauteil. Fig. 9 circuit diagram for a SiC-MOS-FET component used in the circuit according to Fig. 4.
In den Figuren 1 und 2 ist beispielhaft ein SiC-MOSFET in einem SMD-Gehäuse mit 7 Verbindungspins und dem Drain-Anschluss 2 als aktiver Leistungshalbleiter 1 gezeigt. Pin 3 ist dabei als Gate-Anschluss, Pin 4 als Driver-Source-Anschluss und die 5 Pins 5 sind als Power-Source-Anschlüsse ausgeführt (siehe auch das Schaltbild nach Fig. 9). Sowohl der Gate-Anschluss 3 als auch der Driver-Source-Anschluss 4, die beide mit der Steuer- und Treiberschaltung mit geringer Leistung zu verbinden sind, sind nach oben gebogen. 1 and 2 show an example of a SiC MOSFET in an SMD housing with 7 connection pins and the drain connection 2 as an active power semiconductor 1. Pin 3 is designed as a gate connection, pin 4 as a driver source connection and the 5 pins 5 are designed as power source connections (see also the circuit diagram according to Fig. 9). Both the gate terminal 3 and the driver-source terminal 4, both of which are to be connected to the low-power control and driver circuit, are bent upwards.
Ein SiC-MOSFET ist hier nur beispielsweise genannt. Es soll aber betont werden, dass die Erfindung selbstverständlich auch für andere aktive Leistungshalbleiter in einem SMD-Gehäuse mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschluss-Pins gilt. Sogar aktive Leistungshalbleiter in einem anderen Gehäuse wie beispielsweise GaNFETs können verwendet werden. Bei solchen Bauteilen, bei denen üblicherweise alle Anschlüsse als Lötflächen nach unten ausgeführt sind, müssen Änderungen vorgenommen werden, so dass die Anschlüsse für die Steuer- und Treiberschaltung nach oben herausgeführt sind und so auf kurzem Weg mit einer oberen Leiterplatte (siehe Fig. 4) verbunden werden können. A SiC MOSFET is only mentioned here as an example. However, it should be emphasized that the invention of course also applies to other active power semiconductors in an SMD housing with connection pins protruding from the housing. Even active ones Power semiconductors in a different package such as GaNFETs can be used. In such components, where all connections are usually designed as soldering surfaces facing downwards, changes must be made so that the connections for the control and driver circuit are led out upwards and thus have a short path to an upper circuit board (see Fig. 4). can be connected.
Ein Ausschnitt aus Fig. 2, der vergrößert nur die beiden nach oben gebogenen Pins 3 und 4 zeigt, ist in Fig. 3 dargestellt. Zwischen die beiden Pins 3 und 4 ist hier ein elastischer Kleber 6 eingebracht. Dieser Kleber 6 soll verhindern, dass während des Lötvorgangs aus den Aufnahmebohrungen 10 einer über dem aktiven Leistungshalbleiter loder über den Leistungshalbleitern 1 angebrachten oberen Leiterplatte 9 mit der Steuer- und Treiberschaltung das verflüssigte Lot zwischen die Pins 3 und 4 läuft und auf diese Weise einen Kurzschluss erzeugt oder für eine ordnungsgemäße Lötstelle in den Aufnahmebohrungen 10 dann fehlt. Der Kleber 6 kann mit einem Handhabungsroboter direkt nach dem Biegevorgang eingebracht werden. A detail from Fig. 2, which only shows the two upwardly bent pins 3 and 4 in an enlarged form, is shown in Fig. 3. An elastic adhesive 6 is inserted between the two pins 3 and 4. This adhesive 6 is intended to prevent the liquefied solder from running between the pins 3 and 4 during the soldering process from the receiving holes 10 of an upper circuit board 9 with the control and driver circuit attached above the active power semiconductor or above the power semiconductors 1, thereby causing a short circuit generated or then missing for a proper soldering point in the receiving holes 10. The adhesive 6 can be applied with a handling robot directly after the bending process.
In Fig. 3 ist noch eine weitere Möglichkeit angedeutet, die ebenfalls verhindern soll, dass flüssiges Lot aus den Aufnahmebohrungen 10 der oberen Leiterplatte 9 fließt: hierzu kann auf jeden der nach oben gebogenen Pins 3 und 4 jeweils eine Silikonscheibe 7 ebenfalls mit einem Handhabungsroboter aufgesetzt werden. Evtl. Öffnungen in den Silikonscheiben 7 müssen so eng sein, dass die Silikonscheiben 7 die Pins fest umschließen und dort sicher gehalten werden. Sie dürfen erst beim Aufsetzen der oberen Leiterplatte 9 minimal durch die Leiterplatte 9 nach unten verschoben werden, so dass die unteren Öffnungen der Aufnahmebohrungen 10 sicher verschlossen sind. In Fig. 3, another possibility is indicated, which is also intended to prevent liquid solder from flowing out of the receiving holes 10 of the upper circuit board 9: for this purpose, a silicone disk 7 can also be placed on each of the upwardly bent pins 3 and 4 using a handling robot become. Any openings in the silicone washers 7 must be so narrow that the silicone washers 7 enclose the pins tightly and are held securely there. They may only be moved minimally downwards through the circuit board 9 when the upper circuit board 9 is put on, so that the lower openings of the receiving holes 10 are securely closed.
In Fig. 4 ist nun eine elektronische Schaltung gezeigt, in der vier aktive Leistungshalbleiter 1 parallel geschaltet sind. Direkt hinter den sichtbaren Leistungshalbleitern 1 können weitere vier Leistungshalbleiter angeordnet sein, die ebenfalls unter sich parallel geschaltet sind. Diese beiden Schenkel können dann in Reihe geschaltet sein. Mit dieser Anordnung lassen sich problemlos Leistungen oberhalb von 50 kW schalten. Sie ist ausgezeichnet für die Anwendung in Spannungswandlern mit hoher Leistung geeignet. Wenn beispielsweise drei solcher Schenkel zusammengeschaltet werden, kann damit eine Fre- quenzumrichter Schaltung zur Drehzahlsteuerung von Elektromotoren bis zu 200 kW realisiert werden. 4 now shows an electronic circuit in which four active power semiconductors 1 are connected in parallel. Directly behind the visible power semiconductors 1, another four power semiconductors can be arranged, which are also connected in parallel. These two legs can then be connected in series. With this arrangement, powers above 50 kW can be easily switched. It is ideal for use in high-power voltage converters. For example, if three such legs are connected together, a frequency can be achieved. Frequency converter circuit for speed control of electric motors up to 200 kW can be implemented.
Die untere Leiterplatte 8 ist auf einem Kühlkörper 11 (Wärmesenke) montiert, die einen Kühlmittelzufluss 12 und einen Kühlmittelabfluss 13 aufweist. Je nach der Geometrie des Schaltungsaufbaus können die Kühlmittelkanäle 12 und 13 senkrecht zu der in Fig. 4 gezeigten Richtung verlaufen. In jedem Fall ist der Kühlkörper 11 so gestaltet, dass die bestmögliche Kühlung der aktiven Leistungshalbleiter 1 damit gewährleistet ist. The lower circuit board 8 is mounted on a heat sink 11 (heat sink) which has a coolant inflow 12 and a coolant outflow 13. Depending on the geometry of the circuit structure, the coolant channels 12 and 13 can run perpendicular to the direction shown in FIG. 4. In any case, the heat sink 11 is designed so that the best possible cooling of the active power semiconductors 1 is guaranteed.
Um die Leistung noch weiter zu erhöhen kann gegenüber der gezeigten unteren Leiterplatte 8 an dem Kühlkörper 11 (hier nicht gezeigt) eine weitere untere Leiterplatte montiert sein. Der Kühlkörper 12 ist dann so ausgelegt, dass er die Abwärme von beiden unteren Leiterplatten aufnehmen und über das Kühlmittel abtransportieren kann. In order to increase the performance even further, a further lower circuit board can be mounted on the heat sink 11 (not shown here) compared to the lower circuit board 8 shown. The heat sink 12 is then designed so that it can absorb the waste heat from both lower circuit boards and transport it away via the coolant.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind 4 aktive Leistungshalbleiter auf der unteren Leiterplatte 8 parallel geschaltet und dort mit Ihren Power-Source-Anschlüssen 5 und den Drain-Anschlüssen 2 verlötet. Die nach oben gebogenen Pins 3 und 4 (der Gate-An- schluss und der Driver-Source-Anschluss) sind in den Aufnahmebohrungen 10 der oberen Leiterplatte 9 verlötet. Um die obere Leiterplatte 9 zu stabilisieren ist sie über die Abstandshalter 11 mit der unteren Leiterplatte 8 verbunden. Auf der unteren Leiterplatte 8 ist ausschließlich die Leistungselektronik verbaut, während auf der oberen Leiterplatte 9 nur die Steuer- und Treiberschaltung verbaut ist. Es muss also lediglich die untere Leiterplatte 8 aktiv gekühlt werden. In the exemplary embodiment shown, 4 active power semiconductors are connected in parallel on the lower circuit board 8 and soldered there to their power source connections 5 and the drain connections 2. The upwardly bent pins 3 and 4 (the gate connection and the driver source connection) are soldered into the receiving holes 10 of the upper circuit board 9. In order to stabilize the upper circuit board 9, it is connected to the lower circuit board 8 via the spacers 11. Only the power electronics are installed on the lower circuit board 8, while only the control and driver circuit is installed on the upper circuit board 9. So only the lower circuit board 8 needs to be actively cooled.
Anhand der Figuren 5 bis 7 soll nun der Biegevorgang für den Driver-Source- 3 und den Gate-Anschluss 4 erläutert werden. Grundsätzlich kann die Bestückung der unteren Leiterplatte 8 und der oberen Leiterplatte 9 mit einem Handhabungsroboter oder mit einem Bestückungsautomaten erfolgen. Bei der Verwendung eines Bestückungsautomaten ist die Biegevorrichtung vorteilhaft in den Bestückungsautomaten integriert. The bending process for the driver source 3 and the gate connection 4 will now be explained using Figures 5 to 7. In principle, the lower circuit board 8 and the upper circuit board 9 can be assembled with a handling robot or with an automatic assembly machine. When using an automatic placement machine, the bending device is advantageously integrated into the placement machine.
Das Nachobenbiegen der Pins 3 und 4 (Driver-Source-Anschluss und Gate-Anschluss) erfolgt vorteilhaft sofort nach der Entnahme der aktiven Leistungshalbleiter 1 aus der Verpackung oder aus einem Magazin. Um Beschädigungen zu vermeiden, muss verhindert werden, dass während des Biegevorgangs mechanische Spannungen in das Gehäuse des aktiven Leistungshalbleiters 1 eingetragen werden. Hierzu sind ein oberer Klemmstempel 15 und ein unterer Klemmstempel 16 vorgesehen. Mit diesen beiden Klemmstempeln 15 und 16, die von oben bzw. von unten an die Pins 3 und 4 herangefahren werden, werden die beiden Pins geklemmt und somit in ihrer Lage fixiert. Pins 3 and 4 (driver source connection and gate connection) are advantageously bent upwards immediately after the active power semiconductors 1 have been removed from the packaging or from a magazine. To avoid damage, it must be prevented be that mechanical stresses are introduced into the housing of the active power semiconductor 1 during the bending process. For this purpose, an upper clamping stamp 15 and a lower clamping stamp 16 are provided. With these two clamping stamps 15 and 16, which are moved to pins 3 and 4 from above and below, respectively, the two pins are clamped and thus fixed in their position.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist der obere Klemmstempel 15 im Querschnitt rechteckig ausgeführt. Eine Kante (in der Zeichnung unten rechts gesehen) ist mit einem Biegeradius versehen (nicht dargestellt) um zu verhindern, dass die beiden Pins 3 und 4 während des Biegens einreißen und dadurch möglicherweise instabil werden oder sogar abbrechen. Die Klemmstellung mit den an die Pins 3 und 4 herangefahrenen Klemmstempeln 15 und 16 ist in Fig. 5a gezeigt. Der Biegestempel, der in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweist, befindet sich in seiner Ruhestellung unterhalb der Pins 3 und 4. In a first exemplary embodiment, the upper clamping stamp 15 is rectangular in cross section. One edge (seen in the drawing below on the right) is provided with a bending radius (not shown) to prevent the two pins 3 and 4 from tearing during bending and thereby possibly becoming unstable or even breaking off. The clamping position with the clamping stamps 15 and 16 moved to pins 3 and 4 is shown in FIG. 5a. The bending punch, which also has a rectangular cross section in this exemplary embodiment, is located in its rest position below pins 3 and 4.
Um die Biegung durchzuführen wird nun - wie in Fig. 5b gezeigt - der Biegestempel 17 nach oben verfahren. Dabei werden die Pins 3 und 4 über die Kante mit dem Biegeradius des oberen Klemmstempels 15 gebogen und an die gerade vordere Flache des oberen Klemmstempels 15, die sich in der Zeichnung hinter der rechten senkrechten Kante des oberen Klemmstempels 15 befindet, angedrückt. Der Biegestempel 17 wirkt dabei nur auf die Pins 3 und 4, während die restlichen Pins 5 (Power-Source-Anschlüsse) von dem Biegevorgang nicht betroffen sind und in ihrer ursprünglichen Stellung verbleiben. In order to carry out the bending, the bending punch 17 is now moved upwards - as shown in FIG. 5b. The pins 3 and 4 are bent over the edge with the bending radius of the upper clamping stamp 15 and pressed against the straight front surface of the upper clamping stamp 15, which is located behind the right vertical edge of the upper clamping stamp 15 in the drawing. The bending punch 17 only acts on pins 3 and 4, while the remaining pins 5 (power source connections) are not affected by the bending process and remain in their original position.
Fig. 5C zeigt eine Stellung entsprechend der in Fig. 5A gezeigten Stellung, in der sich der Biegestempel 17 bereits wieder in seiner Ruhestellung unterhalb der ursprünglichen Position der Pins befindet. Im Gegensatz zu Fig. 5A befinden sich die Pins 3 und 4 jedoch bereits in ihrer nach oben gebogenen Stellung. Fig. 5C shows a position corresponding to the position shown in Fig. 5A, in which the bending punch 17 is already in its rest position below the original position of the pins. In contrast to Fig. 5A, however, pins 3 and 4 are already in their upwardly bent position.
Um die beiden Pins 3 und 4 beim Aufsetzen der oberen Leiterplatte 9 in die zwei Aufnahmebohrungen 10 einführen und dort verlöten zu können ist der Abstand zwischen den beiden nach oben gebogenen Pins 3 und 4 zu gering. Die beiden Pins müssen deshalb V-förmig auseinander gebogen werden. Dieser Vorgang ist in den Figuren 5d bis 5f ge- zeigt. Zu diesem Zweck ist die Formungsmatritze 18 mit dem Formungsstempel 19 vorgesehen. Diese Bauteile sind in Figur. 6 näher erläutert. In order to be able to insert the two pins 3 and 4 into the two mounting holes 10 when placing the upper circuit board 9 and solder them there, the distance between the two upwardly bent pins 3 and 4 is too small. The two pins must therefore be bent apart in a V shape. This process is shown in Figures 5d to 5f shows. For this purpose, the shaping die 18 is provided with the shaping stamp 19. These components are in figure. 6 explained in more detail.
Die Formungsmatritze 18 weist eine V-förmige Matritzenausnehmung 20 auf. Der Formungsstempel 19 ist in seiner Form an die Matritzenausnehmung 20 angepasst. Seine Dicke entspricht der Tiefe der Matritzenausnehmung 20. An seiner Unterseite ist der Formungsstempel 19 in etwa spitz ausgeformt, so dass gewährleistet ist, dass er zwischen die beiden freien Enden der parallel verlaufenden, nach oben gebogenen Pins 3 und 4 eindringen kann. The forming die 18 has a V-shaped die recess 20. The shape of the shaping stamp 19 is adapted to the die recess 20. Its thickness corresponds to the depth of the die recess 20. On its underside, the forming punch 19 is shaped approximately to a point, so that it is ensured that it can penetrate between the two free ends of the parallel, upwardly bent pins 3 and 4.
Fig. 5d zeigt nun eine Stellung der Biegevorrichtung, in der die Formungsmatritze 18 zusammen mit dem darin verfahrbaren Formungsstempel 19 an den oberen Klemmstempel 15 herangefahren ist. Die nach oben gebogenen Pins 3 und 4 befinden sich nun innerhalb der Matritzenausnehmung 20 und sind deshalb in Fig. 5d nicht sichtbar. 5d now shows a position of the bending device in which the shaping die 18 has moved up to the upper clamping punch 15 together with the shaping punch 19 that can be moved therein. The upwardly bent pins 3 and 4 are now located within the die recess 20 and are therefore not visible in Fig. 5d.
Wie in Fig, 5e gezeigt, wird der Formungsstempel 19 nun nach unten in die in Fig. 6b gezeigte Stellung verfahren. Dabei zwängt sich die untere Spitze des Formungsstempels 19 zwischen die freien Enden der beiden Pins 3 und 4 und drückt diese nach außen an die Seitenwände der Matritzenausnehmung 20. Wird nun der Formungsstempel 19 wieder nach oben verfahren und die Formungsmatritze 18 wieder in ihre Ruhestellung gebracht (siehe Figuren 5a, 5b, 5c, 5f), sind die Pins 3 und 4 nach oben gebogen und verlaufen so, dass der Abstand zwischen den beiden Pins in Höhe ihrer freien Enden am größten ist und ausreicht um die obere Leiterplatte 9 aufsetzen und dabei die Pins in die beiden Aufnahmebohrungen 10 einführen zu können. Die beiden Aufnahmebohrungen 10 sind soweit von einander beabstandet, dass eine problemlose Lötung ohne Brückenbildung zwischen den Aufnahmebohrungen 10 möglich ist. As shown in Fig. 5e, the forming stamp 19 is now moved downwards into the position shown in Fig. 6b. The lower tip of the shaping punch 19 forces itself between the free ends of the two pins 3 and 4 and presses them outwards onto the side walls of the die recess 20. The shaping die 19 is now moved upwards again and the shaping die 18 is brought back into its rest position ( see Figures 5a, 5b, 5c, 5f), the pins 3 and 4 are bent upwards and run in such a way that the distance between the two pins is greatest at the level of their free ends and is sufficient to place the upper circuit board 9 on it while doing so To be able to insert pins into the two mounting holes 10. The two receiving holes 10 are spaced apart from one another to such an extent that problem-free soldering without bridging between the receiving holes 10 is possible.
In Fig. 5f ist nun die Ruhestellung der Biegevorrichtung gezeigt, in der auch der obere 15 und der untere Klemmstempel 16 wieder auseinander gefahren sind, der fertig gebogene Leistungshalbleiter 1 entnommen und die Biegevorrichtung mit einem neuen Leistungshalbleiter bestückt werden kann. Im Folgenden soll beispielhaft noch eine weitere Möglichkeit beschrieben werden über die die Pins 3 und 4 in die geforderte Position gebogen werden können. Die in Fig. 5 gezeigte Formungsmatrize 18 mit dem Formungsstempel 19 wird dabei nicht benötigt. Stattdessen müssen ein abgewandelter oberer Klemmstempel 15a und ein abgewandelter Biegestempel 17a verwendet werden. 5f now shows the rest position of the bending device, in which the upper 15 and the lower clamping stamp 16 have moved apart again, the finished bent power semiconductor 1 can be removed and the bending device can be equipped with a new power semiconductor. Below, another option will be described as an example through which pins 3 and 4 can be bent into the required position. The shaping die 18 with the shaping stamp 19 shown in FIG. 5 is not required. Instead, a modified upper clamping punch 15a and a modified bending punch 17a must be used.
Die entsprechenden Bauteile sind in Fig. 7 gezeigt, wobei Fig. 7a eine Vorderansicht des oberen Klemmstempels 15a und Fig. 7b eine Aufsicht auf den oberen Klemmstempel 15a und den Biegestempel 17a zeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der obere Klemmstempel 15a an seiner Vorderseite in der Mitte eine V-förmige gerade Fläche 21 aufweist. Außerhalb dieser geraden Fläche 21 befinden sich zwei abgewinkelte Flächen 22, die einen geringen Winkel von weniger als 10° gegenüber der geraden Fläche 21 aufweisen. An der Unterkante dieser abgewinkelten Flächen 22 ist wieder ein Biegeradius angeformt, der ebenfalls in dem genannten Winkel zu der Unterkante der geraden Fläche 21 verläuft. Die gerade Fläche 21 geht jeweils über eine Verbindungsschräge 23 in die jeweilige abgewinkelte Fläche 22 über. The corresponding components are shown in FIG. 7, with FIG. 7a showing a front view of the upper clamping punch 15a and FIG. 7b showing a top view of the upper clamping punch 15a and the bending punch 17a. It can be seen that the upper clamping stamp 15a has a V-shaped straight surface 21 in the middle on its front side. Outside this straight surface 21 there are two angled surfaces 22, which have a small angle of less than 10 ° compared to the straight surface 21. A bending radius is again formed on the lower edge of these angled surfaces 22, which also runs at the specified angle to the lower edge of the straight surface 21. The straight surface 21 merges into the respective angled surface 22 via a connecting slope 23.
Die korrespondierende Seite des Biegestempels 17a ist dachförmig ausgebildet. Die Dachschräge ist dabei an die abgewinkelten Flächen 22 des oberen Klemmstempels 15a angepasst. The corresponding side of the bending punch 17a is roof-shaped. The roof slope is adapted to the angled surfaces 22 of the upper clamping stamp 15a.
Wird der Biegestempel 17a nun wie in Fig. 5b gezeigt nach oben verfahren, werden die Pins 3 und 4 nicht wie in dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel über eine gerade Kante gebogen, sondern über eine abgewinkelte Kante. Dabei erhalten die Pins 3 und 4 bereits die V-förmige Stellung, in der die freien Enden einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die im Gehäuse fixierten Enden. Die Verbindungsschrägen 23 des oberen Klemmstempels 15a dienen dabei zur Führung, so dass eine genau definierte Stellung erreicht werden kann. If the bending punch 17a is now moved upwards as shown in FIG. 5b, the pins 3 and 4 are not bent over a straight edge as in the exemplary embodiment first described, but over an angled edge. The pins 3 and 4 are already in the V-shaped position, in which the free ends are at a greater distance from one another than the ends fixed in the housing. The connecting bevels 23 of the upper clamping stamp 15a serve for guidance so that a precisely defined position can be achieved.
Im Folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fig. 8 beschrieben. Das Verfahren gliedert sich in 3 Verfahrensstränge auf: The method according to the invention will now be described below with reference to FIG. 8. The procedure is divided into 3 procedural strands:
• im ersten Verfahrensstrang mit den Verfahrensschritten 25 bis 27 wird die untere Leiterplatte 8 mit dem Leistungskreis vorbereitet, • im zweiten Verfahrensstrang mit den Verfahrensschritten 28 bis 30 werden die aktiven Leistungshalbleiter 1 zur Bestückung der unteren Leiterplatte 8 vorbereitet und • In the first process strand with process steps 25 to 27, the lower circuit board 8 is prepared with the power circuit, • In the second process strand with process steps 28 to 30, the active power semiconductors 1 are prepared for equipping the lower circuit board 8 and
• im dritten Verfahrensstrang mit den Verfahrensschritten 32 bis 34 wird die obere Leiterplatte 9 mit der Steuer- und Treiberschaltung vorbereitet. • In the third process strand with process steps 32 to 34, the upper circuit board 9 is prepared with the control and driver circuit.
Im ersten Verfahrensschritt 25 des ersten Verfahrensstranges wird eine Metallkern-Leiter- platte für die Bestückung mit elektronischen Bauelementen auf ihrer Oberseite und für die Montage eines Kühlkörpers an ihrer Unterseite vorbereitet. Vorteilhaft ist die Leiterplatte 8 für eine Bestückung mit SMD-Bauteilen vorbereitet. Entsprechend wird dann die Lötpaste aufgebracht. Da es sich hierbei um bekannte Vorgehensweisen handelt, müssen diese Teilschritte im Detail nicht weiter beschrieben werden. Die Unterseite der Leiterplatte 8 wird vorteilhaft nur mit Flussmittel behandelt. In the first process step 25 of the first process strand, a metal core circuit board is prepared for equipping electronic components on its top side and for mounting a heat sink on its bottom side. The circuit board 8 is advantageously prepared for assembly with SMD components. The soldering paste is then applied accordingly. Since these are known procedures, these sub-steps do not need to be described in detail. The underside of the circuit board 8 is advantageously treated only with flux.
Im Verfahrensschritt 26 wird nun auf die Unterseite der so vorbereiteten Metallkern-Leiter- platte der Kühlkörper 12 aufgesetzt. Bei einem größeren Kühlkörper können auch Passstifte oder Führungsnuten vorgesehen sein, die den Kühlkörper bis zum Lötvorgang in Position halten. Um eine sichere Verbindung mit gutem Temperaturübergang zwischen der unteren Metallkernleiterplatte 8 und dem Kühlkörper 12 zu gewährleisten, kann ebenfalls der Kühlkörper 12 mit Flussmittel behandelt und auf den Kühlkörper eine passende Lötzinnfolie aufgebracht werden. In method step 26, the heat sink 12 is now placed on the underside of the metal core printed circuit board prepared in this way. With a larger heat sink, dowel pins or guide grooves can also be provided, which hold the heat sink in position until the soldering process. In order to ensure a secure connection with good temperature transfer between the lower metal core circuit board 8 and the heat sink 12, the heat sink 12 can also be treated with flux and a suitable solder foil can be applied to the heat sink.
Soll die Bestückung der Leiterplatten in einem Bestückungsautomaten erfolgen, ist es sinnvoll den Kühlkörper 12 erst nach dem Bestücken und Aufeinanderstapeln der beiden Leiterplatten mit der unteren Leiterplatte 8 zusammen zu bringen, da die Höhe des Bestückungsautomaten möglicherweise nicht für die Aufnahme der unteren Leiterplatte zusammen mit dem Kühlkörper ausreicht. If the PCBs are to be assembled in an assembly machine, it makes sense to bring the heat sink 12 together with the lower circuit board 8 only after the two circuit boards have been assembled and stacked on top of each other, since the height of the assembly machine may not be sufficient to accommodate the lower circuit board together with it Heat sink is sufficient.
Im nächsten Verfahrensschritt 27 werden dann die Abstandshalter 11 angebracht, über die später die Verbindung zu der oberen Leiterplatte 9 hergestellt wird. Vorteilhaft werden die Abstandshalter 11 mit der unteren Leiterplatte 8 ebenfalls über Lötpaste verbunden und in dem späteren Lötprozess dann mit der unteren Leiterplatte 8 verlötet. In dem parallelen zweiten Verfahrensstrang werden die aktiven Leistungshalbleiter 1 so vorbereitet, dass sie später in die Bestückung der unteren Leiterplatte 8 mit einfließen können. Hierzu werden die Leistungshalbleiter 1 im Verfahrensschritt 28 entweder direkt der Verpackung oder aber einem Magazin entnommen und in eine Biegevorrichtung eingesetzt. In the next method step 27, the spacers 11 are then attached, via which the connection to the upper circuit board 9 is later established. The spacers 11 are advantageously also connected to the lower circuit board 8 via soldering paste and then soldered to the lower circuit board 8 in the later soldering process. In the parallel second process strand, the active power semiconductors 1 are prepared so that they can later be incorporated into the assembly of the lower circuit board 8. For this purpose, the power semiconductors 1 are removed in method step 28 either directly from the packaging or from a magazine and inserted into a bending device.
Im Verfahrensschritt 29 werden jeweils der Gate-Anschluss 3 und der Driver-Source-An- schluss 4 so nach oben gebogen wie es weiter oben im Text bereits beschrieben wurde. In method step 29, the gate connection 3 and the driver source connection 4 are bent upwards as already described above in the text.
Im Verfahrensschritt 30 wird der Zwischenraum zwischen den beiden nach oben gebogenen Pins 3 und 4 dann entweder mit einem elastischen Kleber oder mit Abdeckmaterial 6 aufgefüllt oder aber es werden auf die freien Enden der nach oben gebogenen Pins 3 und 4 Silikonscheiben 7 aufgesetzt. Bei dem Kleberauftrag ist darauf zu achten, dass die noch zu verlötenden freien Enden der nach oben gebogenen Pins 3 und 4 frei von Kleber bleiben. Die so vorbereiteten verbesserten aktiven Leistungshalbleiter 1 werden in einem Speicher bis zur Bestückung der unteren Leiterplatte 8 zwischengespeichert. In method step 30, the space between the two upwardly bent pins 3 and 4 is then filled either with an elastic adhesive or with covering material 6 or silicone washers 7 are placed on the free ends of the upwardly bent pins 3 and 4. When applying the glue, make sure that the free ends of the upwardly bent pins 3 and 4 that are yet to be soldered remain free of glue. The improved active power semiconductors 1 prepared in this way are temporarily stored in a memory until the lower circuit board 8 is assembled.
In einem weiteren in der Zeichnung nicht dargestellten Schritt ist es sinnvoll einen ESD-Schutz (electrostatic discharge protection) anzubringen. Hierzu wird ein Stück selbstklebendes Kupferband verwendet, mit dem der Gate-Anschluss 3 und der Dri- ver-Source-Anschluss 4 jedes verbesserten aktiven Leistungshalbleiters elektrisch leitend miteinander verbunden werden. In a further step not shown in the drawing, it makes sense to install ESD protection (electrostatic discharge protection). For this purpose, a piece of self-adhesive copper tape is used, with which the gate connection 3 and the driver-source connection 4 of each improved active power semiconductor are connected to one another in an electrically conductive manner.
Die Verfahrensschritte 28 bis 30 des zweiten Verfahrensstranges werden so oft wiederholt bis in dem Zwischenspeicher so viele vorbereitete Leistungshalbleiter 1 vorhanden sind, wie sie für die Bestückung der unteren Leiterplatte 8 benötigt werden. The process steps 28 to 30 of the second process strand are repeated until there are as many prepared power semiconductors 1 in the buffer as they are needed to equip the lower circuit board 8.
In dem dritten Verfahrensstrang wird im Verfahrensschritt 32 die obere Leiterplatte 9 mit den Aufnahmebohrungen 10 für die nach oben gebogenen Pins 3 und 4 der vorbereiteten Leistungshalbleiter 1 versehen. Auch bei der oberen Leiterplatte 9 handelt es sich um eine Leiterplatte, die mit SMD-Bauteilen bestückt wird. Im Verfahrensschritt 33 wird nun auch auf die obere Leiterplatte 9 die Lötpaste aufgebracht. Dabei müssen auch die Aufnahmebohrungen 10 für die nach oben gebogenen Pins 3 und 4 der verbesserten aktiven Leistungshalbleiter 1 mit Lötpaste gefüllt werden (entsprechend einem bekannten THR-Prozess). Ebenso werden die Stellen an der Unterseite der oberen Leiterplatte 9, an denen später die Abstandshalter 11 aufsetzen, mit Lötpaste versehen. Alternativ können aber auch die Abstandshalter 11 an ihrer Oberseite mit Lötpaste beschichtet werden. In the third process strand, in process step 32, the upper circuit board 9 is provided with the receiving holes 10 for the upwardly bent pins 3 and 4 of the prepared power semiconductors 1. The upper circuit board 9 is also a circuit board that is equipped with SMD components. In method step 33, the solder paste is now also applied to the upper circuit board 9. The receiving holes 10 for the upwardly curved pins 3 and 4 of the improved active power semiconductor 1 must also be filled with solder paste (according to a known THR process). Likewise, the places on the underside of the upper circuit board 9, where the spacers 11 will later be placed, are provided with solder paste. Alternatively, the spacers 11 can also be coated on their top with solder paste.
Nach diesen Vorbereitungen können beide Leiterplatten 8 und 9 bestückt werden. Die Bestückung kann in einem Bestückungsautomaten erfolgen oder aber mit einem Handhabungsroboter durchgeführt werden. In ersterem Fall kann die Biegevorrichtung direkt in den Bestückungsautomaten integriert sein. Bei der Verwendung eines Handhabungsroboters ist es sinnvoll sowohl die untere 8 als auch die obere Leiterplatte 9 auf einer Halteeinrichtung im Arbeitsbereich des Handhabungsroboters zu platzieren. Die Bestückung kann dann hintereinander oder parallel durch wenigstens zwei Handhabungsroboter erfolgen.After these preparations, both circuit boards 8 and 9 can be populated. The assembly can take place in an assembly machine or with a handling robot. In the first case, the bending device can be integrated directly into the placement machine. When using a handling robot, it makes sense to place both the lower 8 and the upper circuit board 9 on a holding device in the working area of the handling robot. The assembly can then be carried out one after the other or in parallel by at least two handling robots.
Bei der Verwendung eines Bestückungsautomaten werden die Leiterplatten 8 und 9 ebenfalls in einen gemeinsamen Halter eingesetzt und zusammen auf diesem Halter dem Bestückungsautomaten zugeführt. When using an assembly machine, the circuit boards 8 and 9 are also inserted into a common holder and fed together to the assembly machine on this holder.
Im Verfahrensschritt 31 werden die elektronischen Bauteile für den Leistungskreis auf die untere Leiterplatte 8 aufgesetzt. Dazu gehören auch die bereits vorbereiteten, in dem Zwischenspeicher vorrätig gehaltenen aktiven Leistungshalbleiter 1. Weiterhin gehört dazu ein Anschlussterminal, welches auch nach dem Aufsetzen der oberen Leiterplatte 9 zugänglich sein muss, so dass die notwendigen Leitungen auch nach dem Lötvorgang angeschlossen werden können. In method step 31, the electronic components for the power circuit are placed on the lower circuit board 8. This also includes the already prepared active power semiconductors 1 stored in the buffer. It also includes a connection terminal, which must be accessible even after the upper circuit board 9 has been put on, so that the necessary lines can also be connected after the soldering process.
Im Verfahrensschritt 34 wird die obere Leiterplatte 9 bestückt, indem alle für die Steuer- und Treiberschaltung notwendigen Bauteile aufgesetzt werden. Bei der Verwendung eines Bestückungsautomaten werden die Verfahrensschritte 31 und 34 vorteilhaft parallel in dem Bestückungsautomaten durchgeführt. In method step 34, the upper circuit board 9 is populated by putting on all the components necessary for the control and driver circuit. When using an automatic placement machine, method steps 31 and 34 are advantageously carried out in parallel in the placement machine.
Nach der Bestückung beider Leiterplatten 8 und 9 mit den elektronischen Bauteilen werden in Verfahrensschritt 35 beide Leiterplatten 8 und 9 mit einander verbunden. Hierzu ist eine exakte Positionierung der oberen Leiterplatte 9 über der unteren Leiterplatte 8 notwendig. Nach dem Positionieren wird entweder die obere Leiterplatte 9 abgesenkt oder die untere Leiterplatte 8 angehoben. Dabei dringen die nach oben gebogenen Pins 3 und 4 der Leistungshalbleiter 1 in die mit Lötpaste gefüllten Aufnahmebohrungen 10 in der oberen Leiterplatte 9 ein. Die Leiterplatten 8 und 9 werden soweit zusammengeführt bis die obere Leiterplatte 9 auf den Abstandshaltern 11 aufliegt. Es ist eine Befestigung über Schrauben, aber auch ein Verkleben mit einem hoch -temperaturfesten Kleber möglich. Vorteilhaft wird aber auch die obere Leiterplatte 9 mit den Abstandshaltern 11 verlötet. Bei Verwendung eines Bestückungsautomaten wird dieser Verfahrensschritt vorteilhaft ebenfalls in dem Bestückungsautomaten durchgeführt. After both circuit boards 8 and 9 have been fitted with the electronic components, both circuit boards 8 and 9 are connected to one another in method step 35. For this is an exact positioning of the upper circuit board 9 over the lower circuit board 8 is necessary. After positioning, either the upper circuit board 9 is lowered or the lower circuit board 8 is raised. The upwardly bent pins 3 and 4 of the power semiconductors 1 penetrate into the receiving holes 10 in the upper circuit board 9 filled with solder paste. The circuit boards 8 and 9 are brought together until the upper circuit board 9 rests on the spacers 11. It can be attached using screws or glued with a high-temperature-resistant adhesive. However, the upper circuit board 9 is also advantageously soldered to the spacers 11. When using an automatic placement machine, this process step is advantageously also carried out in the placement machine.
Der Kleber 6 zwischen den nach oben gebogenen Pins 3 und 4 der Leistungshalbleiter 1 oder die auf die freien Enden aufgesteckten Silikonscheiben 7 schließen nun die Aufnahmebohrungen 10 in der oberen Leiterplatte 9 nach unten ab. Auf diese Weise kann während des Lötvorganges kein Lot unten aus den Aufnahmebohrungen 10 herauslaufen. The adhesive 6 between the upwardly bent pins 3 and 4 of the power semiconductor 1 or the silicone washers 7 attached to the free ends now close the receiving holes 10 in the upper circuit board 9 downwards. In this way, no solder can run out of the receiving holes 10 during the soldering process.
Nun kann im Verfahrensschritt 36 der Lötvorgang durchgeführt werden. Bei diesem Lötvorgang werden sowohl die Bauteile der oberen 9 als auch die Bauteile der unteren Leiterplatte 8 und der Kühlkörper 12 gleichzeitig gelötet. Dadurch ist eine möglichst geringe thermische Belastung der elektronischen Bauteile gewährleistet. The soldering process can now be carried out in method step 36. During this soldering process, both the components of the upper circuit board 9 and the components of the lower circuit board 8 and the heat sink 12 are soldered at the same time. This ensures that the thermal load on the electronic components is as low as possible.
Bei einem alternativen, in der Zeichnung nicht dargestellten, Verfahren werden die untere 8 und die obere Leiterplatte 9 jeweils einzeln für sich bestückt und gelötet. In an alternative method, not shown in the drawing, the lower 8 and the upper circuit board 9 are each individually assembled and soldered.
Danach kann der Kühlkörper 12 mit der unteren, fertig gelöteten Leiterplatten 8 verbunden werden. Vorteilhaft wird dieser Vorgang mit Niedertemperaturlot in einer Vakuumkammer durchgeführt. Bei richtiger Auslegung des Verfahrens ist es auf diese Weise möglich, den Lötvorgang ohne Flussmittel durchzuführen und so einen Verbund aus Kühlkörper 12 und unterer Leiterplatte 8 zu erhalten, bei dem ein über die Verbindungsfläche sehr gleichmäßiger Wärmeübergang von der unteren Leiterplatte 8 auf den Kühlkörper 12 gewährleistet ist. Ebenso ist es natürlich möglich, die untere Leiterplatte oder die unteren Leiterplatten auf eine andere Weise, die einen guten Wärmeübergang gewährleistet, mit dem Kühlkörper 12 zu verbinden. Beispielhaft sei hier die Verklebung mit einem Thermokleber genannt. The heat sink 12 can then be connected to the lower, fully soldered circuit boards 8. This process is advantageously carried out with low-temperature solder in a vacuum chamber. If the method is designed correctly, it is possible in this way to carry out the soldering process without flux and thus to obtain a composite of heat sink 12 and lower circuit board 8, in which a very uniform heat transfer from the lower circuit board 8 to the heat sink 12 is ensured via the connecting surface is. It is of course also possible to connect the lower circuit board or the lower circuit boards to the heat sink 12 in another way that ensures good heat transfer. An example of this is bonding with a thermal adhesive.
Idealerweise werden jeweils zwei untere Leiterplatten mit einem Kühlkörper 12 verlötet, so dass sich der Kühlkörper 12 zwischen den beiden unteren Leiterplatten befindet. Auf diese Weise können zwei untere Leiterplatten mit nur einem Kühlkörper 12 gekühlt werden. Ideally, two lower circuit boards are soldered to a heat sink 12, so that the heat sink 12 is located between the two lower circuit boards. In this way, two lower circuit boards can be cooled with just one heat sink 12.
Nun kann eine Prüfung der unteren Leiterplatte 8 mit dem Leistungskreis und den Zwischenkondensatoren stattfinden. Hierzu wird die untere Leiterplatte 8 bestromt und die thermischen Übergänge der Lötstellen werden mit einer Wärmebildkamera überwacht. The lower circuit board 8 with the power circuit and the intermediate capacitors can now be tested. For this purpose, the lower circuit board 8 is energized and the thermal transitions of the soldering points are monitored with a thermal imaging camera.
Ist alles in Ordnung, kann die obere Leiterplatte 9 auf die untere Leiterplatte 8 montiert und der Gate-Anschluss 3 und der Driver-Source-Anschluss 4 des wenigstens einen verbesserten aktiven Leistungshalbleiters 1 mit der oberen Leiterplatte 9 verlötet werden. Vorteilhaft geschieht dies mit Hilfe eines Handlings-Roboters. Ist ein Kühlkörper 12 mit zwei unteren Leiterplatten verlötet, werden an dieses Modul natürlich auch zwei obere Leiterplatten montiert. If everything is OK, the upper circuit board 9 can be mounted on the lower circuit board 8 and the gate connection 3 and the driver-source connection 4 of the at least one improved active power semiconductor 1 can be soldered to the upper circuit board 9. This is advantageously done with the help of a handling robot. If a heat sink 12 is soldered to two lower circuit boards, two upper circuit boards are of course also mounted on this module.
Ein fertiges Modul besteht dann aus einem Kühlkörper 12, jeweils zwei mit ihrer Unterseite an zwei gegenüberliegenden Flächen des Kühlkörpers 12 aufgelöteten unteren Leiterplatten und einer jeweils auf der Oberseite jeder unteren Leiterplatte montierten oberen Leiterplatte. Durch die Aneinanderreihung mehrerer solcher Module lässt sich eine enorme Leistungsdichte erreichen. A finished module then consists of a heat sink 12, two lower circuit boards soldered with their undersides on two opposite surfaces of the heat sink 12, and an upper circuit board mounted on the top of each lower circuit board. By stringing together several such modules, an enormous power density can be achieved.
Wenn für den ESD-Schutz der verbesserten aktiven Leistungshalbleiter 1 - wie weiter oben beschrieben - eine selbstklebende Kupferfolie verwendet wurde, so muss diese vor der Montage der oberen Leiterplatte 9 auf der unteren Leiterplatte 8 entfernt werden. Bezugszeichenliste: If a self-adhesive copper foil was used for the ESD protection of the improved active power semiconductors 1 - as described above - this must be removed before mounting the upper circuit board 9 on the lower circuit board 8. List of reference symbols:
1 aktiver Leistungshalbleiter 1 active power semiconductor
2 Drain-Anschluss 2 drain connection
3 Gate-Anschluss 3 gate connector
4 Driver-Source-Anschluss 4 Driver source connection
5 Power-Source-Anschlüsse 5 power source ports
6 Kleber 6 glue
7 Silikon-Scheiben 7 silicone discs
8 untere Leiterplatte 8 lower circuit board
9 obere Leiterplatte 9 upper circuit board
10 Aufnahmebohrungen 10 mounting holes
11 Abstandshalter 11 spacers
12 Kühlkörper 12 heatsinks
13 Kühlmittelzufluss 13 Coolant inflow
14 Kühlmittelabfluss 14 Coolant drain
15 oberer Klemmstempel 15 upper clamping stamp
16 unterer Klemmstempel 16 lower clamping stamps
17 Biegestempel 17 bending punches
18 Formungsmatritze 18 forming die
19 Formungsstempel 19 forming stamps
20 Matritzenausnehmung 20 die recess
21 gerade Fläche 21 straight surface
22 abgewinkelte Fläche 22 angled surface
23 Verbindungsschräge 23 connection slope
24 Unterkante der abgewinkelten Fläche mit Biegeradius24 Lower edge of the angled surface with bending radius
25 Vorbereiten der Metallkernleiterplatte 25 Preparing the metal core circuit board
26 Anbringen des Kühlkörpers 26 Attach the heat sink
27 Anbringen der Abstandshaltern 27 Attaching the spacers
28 Einsetzen der Leistungshalbleiter in die Biegevorrichtung28 Inserting the power semiconductors into the bending device
29 Biegevorgang 30 Anbringen einer Sicherung gegen abfließendes Lot 29 bending process 30 Install protection against solder leakage
31 Bestücken der Metallkernleiterplatte 31 Assembling the metal core circuit board
32 Anbringen der Aufnahmebohrungen in der oberen Leiterplatte32 Making the mounting holes in the upper circuit board
33 Vorbereiten der oberen Leiterplatte 34 Bestücken der oberen Leiterplatte 33 Preparing the upper circuit board 34 Populating the upper circuit board
35 Zusammenführen der beiden Leiterplatten 35 Merge the two circuit boards
36 Löten der elektronischen Schaltung 36 Soldering the electronic circuit

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Elektronische Schaltung mit einer ersten Leiterplatte (8) und wenigstens einer zweiten parallel angeordneten Leiterplatte (9), mit wenigstens einem aktiven Leistungshalbleiter (1) auf der ersten Leiterplatte (8), der einen oder mehrere Steuerungsanschlüsse (3, 4) und mehrere Leistungsanschlüsse (2, 5) aufweist, mit einem Steuerkreis zur Steuerung des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters (1) und einem Leistungskreis, wobei der oder die Steuerungsanschlüsse (3, 4) mit dem Steuerkreis und die Leistungsanschlüsse (2, 5) mit dem Leistungskreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte (8) und der Steuerkreis auf der zweiten Leiterplatte (9) angeordnet sind und dass die Leistungsanschlüsse (2, 5) des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters (1) mit dem Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte (8) und der oder die Steueranschlüsse (3, 4) mit dem Steuerkreis auf der zweiten Leiterplatte (9) verlötet sind. 1. Electronic circuit with a first circuit board (8) and at least one second circuit board (9) arranged in parallel, with at least one active power semiconductor (1) on the first circuit board (8), the one or more control connections (3, 4) and several Has power connections (2, 5), with a control circuit for controlling the at least one active power semiconductor (1) and a power circuit, the control connection or connections (3, 4) being connected to the control circuit and the power connections (2, 5) being connected to the power circuit are, characterized in that the power circuit is arranged on the first circuit board (8) and the control circuit on the second circuit board (9) and that the power connections (2, 5) of the at least one active power semiconductor (1) are connected to the power circuit on the first Circuit board (8) and the control connection or connections (3, 4) are soldered to the control circuit on the second circuit board (9).
2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenkreiskondensatoren für den Leistungskreis auf der ersten Leiterplatte (8) angeordnet sind. 2. Electronic circuit according to claim 1, characterized in that intermediate circuit capacitors for the power circuit are arranged on the first circuit board (8).
3. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (8) als Metallkernleiterplatte ausgebildet ist. 3. Electronic circuit according to one of claims 1 to 2, characterized in that the first circuit board (8) is designed as a metal core circuit board.
4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (8) auf der dem wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiter (1) gegenüberliegenden Seite mit einem Kühlkörper (12) thermisch leitend verbunden ist. 4. Electronic circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first circuit board (8) is thermally conductively connected to a heat sink (12) on the side opposite the at least one active power semiconductor (1).
5. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Leiterplatte (8) und der zweiten Leiterplatte (9) Abstandshalter (11) vorgesehen sind. 5. Electronic circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that spacers (11) are provided between the first circuit board (8) and the second circuit board (9).
6. Verbesserter aktiver Leistungshalbleiter (1) mit einem oder mehreren Steueranschlüssen (3, 4) und mehreren Leistungsanschlüssen (2, 5) zum Einbau in eine elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leistungsanschlüsse (5) in Richtung seiner Grundfläche, mit der er auf einer Leiterplatte aufsitzt und der oder die Steueranschlüsse (3, 4) in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet sind. 6. Improved active power semiconductor (1) with one or more control connections (3, 4) and several power connections (2, 5) for installation in an electronic circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that several power connections (5) in Direction of its base surface, with which it rests on a circuit board and the control connection or connections (3, 4) are aligned in the opposite direction.
7. Verfahren zum Herstellen eines verbesserten aktiven Leistungshalbleiters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktiver Leistungshalbleiter (1) mit einem SMD-Gehäuse, der zum Verlöten mit eine Leiterplatte bestimmt ist und einen oder mehrere in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichtete Steueranschlüsse (3, 4) und mehrere ebenfalls in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichtete Leistungsanschlüsse (5) aufweist, einer Biegevorrichtung zugeführt wird und der oder die in Richtung der zu verlötenden Leiterplatte ausgerichteten Steueranschlüsse (3, 4) in die entgegengesetzte Richtung gebogen werden (29). 7. A method for producing an improved active power semiconductor according to claim 6, characterized in that an active power semiconductor (1) with an SMD housing which is intended for soldering to a circuit board and one or more control connections aligned in the direction of the circuit board to be soldered ( 3, 4) and several power connections (5) which are also aligned in the direction of the circuit board to be soldered, are fed to a bending device and the control connection(s) (3, 4) aligned in the direction of the circuit board to be soldered are bent in the opposite direction (29) .
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Biegevorgangs (29) die zu biegenden Steueranschlüsse (3, 4) gehäusenah geklemmt werden (15, 16). 8. The method according to claim 7, characterized in that during the bending process (29) the control connections (3, 4) to be bent are clamped (15, 16) close to the housing.
9. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein verbesserter aktiver Leistungshalbleiter nach Anspruch 6 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8 hergestellt wird (29), eine erste Leiterplatte (8) mit elektronischen Bauteilen für den Leistungskreis, mit Abstandshaltern (11) für eine zweite Leiterplatte (9) und mit wenigstens einem verbesserten aktiven Leistungshalbleiter (1) bestückt wird (26, 27, 31), dass eine zweite Leiterplatte (9) mit einer oder mehreren Aufnahmebohrungen (11) für den oder die Steueranschlüsse (3 4) des wenigstens einen ver- besserten aktiven Leistungshalbleiters (1) versehen (32) und mit elektronischen Bauteilen für den Steuerkreis bestückt wird (34). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterplatte (9) auf die erste Leiterplatte (8) aufgesetzt wird (35) und dass beide Leiterplatten (8, 9) zusammen in einem Arbeitsgang gelötet werden (36). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der zweiten Leiterplatte (9) zu verlötenden Steueranschlüsse (3, 4) des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters (1) mit einer Sicherung (6, 7) gegen das Auslaufen von Lot während des Lötvorgangs aus den Aufnahmebohrungen (11) der zweiten Leiterplatte (9) versehen werden (30). Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Leiterplatte (8), als auch die zweite Leiterplatte (9) nach der Bestückung einzeln verlötet werden. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (8) mit einem Kühlkörper (12) thermisch leitend verbunden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterplatte (9) auf die erste Leiterplatte (8) aufgesetzt wird und die Steueranschlüsse (3, 4) des wenigstens einen aktiven Leistungshalbleiters (1) auf der ersten Leiterplatte (8) mit einem Handhabungsroboter mit der zweiten Leiterplatte (9) verlötet werden. 9. A method for producing an electronic circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one improved active power semiconductor according to claim 6 is produced in a method according to one of claims 7 to 8 (29), a first circuit board (8) with electronic components for the power circuit, with spacers (11) for a second circuit board (9) and with at least one improved active power semiconductor (1) is equipped (26, 27, 31), that a second circuit board (9) with one or more Receiving holes (11) for the control connection(s) (3 4) of the at least one Improved active power semiconductor (1) is provided (32) and is equipped with electronic components for the control circuit (34). Method according to claim 9, characterized in that the second circuit board (9) is placed (35) on the first circuit board (8) and that both circuit boards (8, 9) are soldered together in one operation (36). Method according to claim 10, characterized in that the control connections (3, 4) of the at least one active power semiconductor (1) to be soldered to the second circuit board (9) are protected by a fuse (6, 7) against the leakage of solder during the soldering process the receiving holes (11) of the second circuit board (9) are provided (30). Method according to claim 9, characterized in that both the first circuit board (8) and the second circuit board (9) are soldered individually after assembly. Method according to at least one of claims 9 to 10, characterized in that the first circuit board (8) is connected to a heat sink (12) in a thermally conductive manner. Method according to one of claims 12 to 13, characterized in that the second circuit board (9) is placed on the first circuit board (8) and the control connections (3, 4) of the at least one active power semiconductor (1) on the first circuit board (8 ) can be soldered to the second circuit board (9) using a handling robot.
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US5105261A (en) * 1989-03-30 1992-04-14 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device package having particular lead structure for mounting multiple circuit boards
DE19549097A1 (en) * 1995-01-05 1996-09-12 Int Rectifier Co Ltd Semiconductor package for surface mounting
DE102015101086A1 (en) * 2015-01-26 2015-04-23 Infineon Technologies Ag SEMICONDUCTOR POWER MODULE ARRANGEMENT

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5105261A (en) * 1989-03-30 1992-04-14 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device package having particular lead structure for mounting multiple circuit boards
DE19549097A1 (en) * 1995-01-05 1996-09-12 Int Rectifier Co Ltd Semiconductor package for surface mounting
DE102015101086A1 (en) * 2015-01-26 2015-04-23 Infineon Technologies Ag SEMICONDUCTOR POWER MODULE ARRANGEMENT

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