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Title:
CAPACITOR STRUCTURE AND POWER MODULE HAVING A POWER ELECTRONIC COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/154695
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a capacitor structure (14) having a plurality of capacitors housed in a support structure (18, 19). Said capacitors are connected in parallel via a first capacitor electrode (18) and a second capacitor electrode (19) and can be surface-mounted to a surface (13) of a circuit carrier (12) by means of connection structures (20). The circuit carrier (12) preferably consists of a ceramic and can have power electronic components on the side facing away from the capacitor structure (14). This creates a power module (11), which is also placed under protection. The capacitors (15) preferably contact the power electronic components in a power electronic circuit, wherein a low-loss transmission of power is possible via the first electrode (18) and the second electrode (19). The power modules (11) are combined together and advantageously enable cost-effective scaling of power electronic circuits for different applications, advantageously minimizing production and assembly expenses.

Inventors:
HEIMANN, Matthias (Rückertstraße 40 a, Potsdam, 14469, DE)
MEYRATH, Wilhelm (Neidhardtg. 11, 3400 Klosterneuburg, 3400, AT)
MÜLLER, Bernd (Coethener-Str. 19, Falkenberg, 16259, DE)
PFLEGER, Franz (Kegelgasse 36, 1030 Wien, 1030, AT)
PRANKH, Peter (Kürassierweg 6, 2301 Groß-Enzersdorf, 2301, AT)
STROGIES, Jörg (Charles-H.-King-Straße 25, Berlin, 14163, DE)
WILKE, Klaus (Lübbenauer Weg 7, Berlin, 12527, DE)
Application Number:
EP2019/052266
Publication Date:
August 15, 2019
Filing Date:
January 30, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H01G4/38; H01G2/10; H01G4/40
Domestic Patent References:
WO2016058741A12016-04-21
Foreign References:
US20160174356A12016-06-16
US20170169955A12017-06-15
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Kondensatoraufbau mit mehreren in einer Haltestruktur (18, 19, 55) angeordneten Kondensatoren (15), wobei die Kondensa toren (15) je eine erste Kondensatorelektrode (16) und eine zweite Kondensatorelektrode (17) aufweisen, wobei

• die Haltestruktur (18, 19, 55) eine erste Elektrode (18) und eine zweite Elektrode (19) aufweist,

• die Kondensatoren (15) über ihre ersten Kondensatorel ektroden (16) mit der ersten Elektrode (18) und über ihre zweiten Kondensatorelektroden (17) mit der zweiten Elektrode (19) elektrisch kontaktiert sind,

• die Haltestruktur (18, 19, 55) eine Montageseite für

eine Oberflächenmontage aufweist und die Montageseite mit einer ersten Anschlussfläche der ersten Elektrode (18) und mit einer zweiten Anschlussfläche der zweiten Elektrode (19) zur elektrischen Kontaktierung der Hal testruktur ausgestattet ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass

• Die Haltestruktur (18, 19, 55) einen quaderförmigen In nenraum einschließt, in dem die Kondensatoren (15) ange ordnet sind,

• an einer außerhalb der Montageseite liegenden Außenseite der Haltestruktur (18, 19, 55) eine zusätzliche Bau struktur (24, 25a, 25b, 30, 49, 56, 60, 63) vorgesehen ist .

2. Kondensatoraufbau nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (19) gegenüberliegende Seitenwände (22) des Innenraums der Hal testruktur (18, 19, 55) bilden, wobei

• die Seitenwände (22) sich jeweils senkrecht von der ers ten Anschlussfläche und von der zweiten Anschlussfläche weg erstrecken,

• zwischen den Seitenwänden (22) die Kondensatoren (15) angeordnet sind.

3. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur eine Versteifungsstruktur, insbesondere Rippen (30), aufweist.

4. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur elektrische Leitpfade (56) aufweist, die von der Montageseite zu einer Oberseite (50) des Kondensato- raufbaus verlaufen.

5. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur eine Kühlstruktur (60) aufweist.

6. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur mindestens einen Sensorelement (25) , insbesondere einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtig keitssensor und/oder einen Stromsensor und/oder einen Be schleunigungssensor aufweist.

7. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur einen Schaltungsträger (24) aufweist.

8. Kondensatoraufbau nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass auf dem Schaltungsträger (24) eine Treiberschaltung (49) für mindestens ein leistungselektronisches Bauelement (31) ausgebildet ist.

9. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Baustruktur eine elektrische Schirmstruktur (63) aufweist, die den Kondensatoraufbau zumindest teilweise um mantelt .

10. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprü che,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Innenraum der Haltestruktur (18, 19, 55) gekapselt ist .

11. Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden Ansprü che,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Haltestruktur (18, 19, 55) ein elektrisch isolieren des Material (55) aufweist, in das die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (19) intergriert sind.

12. Kondensatoraufbau nach Anspruch 11,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass aus dem elektrisch isolierenden Material (55) mindestens eine Aufnahme für die Baustruktur (24, 25a, 25b, 30, 49, 56, 60, 63) ausgebildet ist.

13. Leistungsmodul mit einem leistungselektronischen Bauele ment (31), welches auf einer Substratplatte (12) montiert ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass ein Kondensatoraufbau nach einem der voranstehenden An sprüche mit dem leistungselektronischen Bauelement (31) elektrisch kontaktiert ist.

14. Leistungsmodul nach Anspruch 13,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass das leistungselektronische Bauelement (31) auf der einen Seite der Substratplatte (12) montiert ist und der Kondensa toraufbau auf der anderen Seite der Substratplatte (12) mon tiert ist.

Description:
Beschreibung

Kondensatoraufbau und Leistungsmodul mit einem

leistungselektronischen Bauelement

Die Erfindung betrifft einen Kondensatoraufbau mit mehreren in einer Haltestruktur angeordneten Kondensatoren, wobei die Kondensatoren je eine erste Kondensatorelektrode und eine zweite Kondensatorelektrode aufweisen. Die Haltestruktur ih rerseits weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die Kondensatoren sind über ihre ersten Kondensatorel ektroden mit der ersten Elektrode und über ihre zweiten Kon densatorelektroden mit der zweiten Elektrode elektrisch kon taktiert. Außerdem weist die Haltestruktur eine Montageseite für eine Oberflächenmontage auf. Die Montageseite ist mit ei ner ersten Anschlussfläche der ersten Elektrode und mit einer zweiten Anschlussfläche der zweiten Elektrode ausgestattet, so dass eine elektrische Kontaktierung der Haltestruktur durch eine Oberflächenmontage möglich ist. Der Kondensato raufbau bildet damit eine oberflächenmontierbare Baugruppe, die zur Montage und elektrischen Kontaktierung auf ein Sub strat wie beispielsweise eine organische und anorganische Substrate wie zum Beispiel Leiterplatten aufgesetzt werden kann. Oberflächenmontierbare Bauelemente, auch SMD (Surface Mounted Devices) genannt, sind in der Elektronikmontage weit verbreitet, da sich diese einfach verarbeiten lassen.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Leistungsmodul mit einem leistungselektronischen Bauelement, welches auf einer Sub stratplatte montiert ist. Die Substratplatte mit dem montier ten Leistungsmodul bildet vorzugsweise ein Package, welches seinerseits auf einem weiteren Schaltungsträger als Substrat montiert werden kann. Leistungselektronische Bauelemente wer den häufig in Kombination mit Kondensatoren eingesetzt. Hier durch werden leistungselektronische Schaltungen realisiert.

Leistungselektronische Schaltungen sind üblicherweise auf ei nen zugehörigen gegebenen Anwendungsfall anzupassen. Diese Anwendungsfälle unterscheiden sich individuell, wodurch bei der Auslegung der leistungselektronischen Schaltungen und bei deren Herstellung ein beträchtlicher Aufwand entsteht. Die individuellen Anwendungsfälle stehen insbesondere einer Auto- matisierbarkeit der Herstellung von Leistungsmodulen im Wege. Insbesondere erzeugt die Verwendung von Kondensatoren einen erhöhten Montageaufwand, da erforderliche Kapazitätswerte nur durch eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren erreicht werden können, wobei diese alle in die leistungselektronische Schaltung integriert werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kondensator aufbau und/oder ein Leistungsmodul fortzubilden, wobei sich mit dem Kondensatoraufbau bzw. mit dem Leistungsmodul leis tungselektronische Schaltungen mit einem verringerten Aufwand bei der Konzeption bzw. bei der Herstellung erzeugen lassen sollen, insbesondere bei Einzelanfertigungen von Leistungsmo dulen bzw. geringen Stückzahlen.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Kondensato raufbau erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Haltestruk tur einen quaderförmigen Innenraum einschließt, in dem die Kondensatoren angeordnet sind. Außerdem ist an einer außer halb der Montageseite liegenden Außenseite der Haltestruktur eine zusätzliche Baustruktur vorgesehen.

Die Haltestruktur ermöglicht vorteilhaft eine Anordnung der Kondensatoren in der Haltestruktur bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand. Die Kondensatoren können beispielsweise mit den Elektroden verlötet oder anderweitig kontaktiert wer den, sodass eine Baueinheit entsteht und die Elektroden die Kondensatoren Z usammenhalten. Es entsteht vorteilhaft eine hohe Packungsdichte der Kondensatoren, so dass der Kondensa toraufbau kompakt ist und als oberflächenmontierbares Bauele ment vorteilhaft ohne großen Aufwand gehandhabt werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass mit der erfin dungsgemäßen Anordnung ein niederinduktiver Aufbau einer leistungselektronischen Schaltung möglich ist. Der Kondensatoraufbau kann vorteilhaft in hoher Stückzahl gefer tigt werden und lässt sich dann in leistungselektronischen Schaltungen verwenden. Auch können die Kondensatoren klas siert werden (Binning) , bevor diese zu dem Kondensatoraufbau zusammengeführt werden. Der Kondensatoraufbau kann vor einer weiteren Verwendung vermessen werden, um dessen Eignung für die Leistung elektronische Schaltung zu bestimmen. Anschlie ßend kann der Kondensatoraufbau durch eine Oberflächenmontage vorteilhaft mit geringem Fertigungsaufwand bestückt werden.

Die erste Elektrode und die zweite Elektrode bilden gemäß ei ner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Seitenwände des Innenraums der Haltestruktur. Die Seitenwände erstrecken sich jeweils senkrecht von der ersten Anschlussfläche bzw. von der zweiten Anschlussfläche weg. Hierdurch können vorteilhaft die Kondensatoren zwischen den Seitenwänden angeordnet sein. Die Kondensatoren, die in dem Innenraum montiert werden, weisen dabei die Kondensatorelektroden an gegenüberliegenden Seiten auf und sind vorzugsweise selbst quaderförmig ausgebildet. Hierdurch entsteht vorteilhaft eine enge Packung im Innenraum der Haltestruktur mit einer optimalen Raumausnutzung. Die Kontaktierung über die Seitenwände ermöglicht zusätzlich vor teilhaft eine Parallelschaltung der Kondensatoren bei gleich zeitig kurzen Kontaktwegen, wodurch sich bezogen auf den Bau raum große Leiterquerschnitte bei gleichzeitig kurzen Leiter längen verwirklichen lassen. Hierdurch kann vorteilhaft die parasitäre Induktivität des Kondensatoraufbaus so klein wie möglich gehalten werden.

Die Kondensatoren können in der Haltestruktur, vorteilhaft in mehreren Etagen übereinander, angeordnet werden. Gleichzeitig ist eine Anordnung nebeneinander möglich, wobei der in der leistungselektronischen Schaltung zur Verfügung stehende Bau raum, u.a. wegen der eckigen Form des Innenraums optimal ge nutzt wird. Über die Seitenwände und die sich daran anschlie ßenden Anschlussflächen erfolgt eine Kontaktierung der paral lel geschalteten Kondensatoren mit dem Substrat, auf dem beispielsweise eine leistungselektronische Schaltung reali siert sein kann, von der der Kondensatoraufbau einen Teil bildet .

Außer der Montageseite bildet die Haltestruktur erfindungsge mäß auch mindestens eine Außenseite aus. Durch den quaderför migen Innenraum, der von der Haltestruktur zumindest teil weise umgeben ist, können bis zu fünf Außenseiten ausgebildet werden. Diese können bezogen auf die Montageseite aus den Seitenflächen (gebildet durch die Seitenwände) und einer der Montageseite gegenüber liegenden Deckfläche bestehen, die die Oberseite des Kondensatoraufbaus bildet. Selbstverständlich kann der Kondensatoraufbau in jeder Einbaulage verwendet wer den. Die Begrifflichkeiten Seitenfläche, Seitenwände, Deck fläche und Oberseite, sind relativ zur Montageseite zu sehen, die bezogen auf das Substrat während der Montage die Unter seite des Bauelements bildet.

Durch den Aufbau der Haltestruktur mit zumindest teilweise parallelen Flächen wird eine optimale Raumnutzung und/oder eine massenfertigungstaugliche Herstellung ermöglicht.

Insbesondere bevorzugt werden ebene Flächen als Haltestruktur realisiert, weil diese als Montageflächen gut nutzbar sind.

Durch Vorsehen einer zusätzlichen Baustruktur können vorteil haft zusätzliche Funktionalitäten für den Kondensatoraufbau realisiert werden. Diese Funktionalitäten vereinfachen ein Herstellen einer leistungselektronischen Schaltung aus vorge fertigten Modulen, weil hierdurch der Fertigungsaufwand ein gespart werden kann, der durch eine gesonderte Realisierung dieser Funktionalitäten in der leistungselektronischen Schal tung entstünde. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.

Bei der zusätzlichen Baustruktur kann es sich um Bauteile o- der Funktionskomponenten handeln, die gesondert an der Hal testruktur montiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Baustruktur beispielsweise als integralen Bestandteil der Haltestruktur auszubilden. Dies ist bei spielsweise möglich, wenn die Baustruktur gemäß einer beson deren Ausgestaltung der Erfindung als Versteifungsstruktur, insbesondere als Rippen, ausgebildet ist. Hierdurch kann vor teilhaft der Kondensatoraufbau stabilisiert werden, so dass bei der Montage beispielsweise eine Anbindung an externe Ver steifungsstrukturen entfallen kann. Dies verringert den an fallenden Montageaufwand.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorge sehen werden, dass die Baustruktur elektrische Leitpfade auf weist, die von der Montageseite zu einer Oberseite des Kon- densatoraufbaus verlaufen. Diese elektrischen Leitpfade er möglichen vorteilhaft eine Kontaktierung von zusätzlichen elektrischen oder elektronischen Funktionskomponenten, die auf der Oberseite der Baustruktur montiert sind. Diese können dann mit einer leistungselektronischen Schaltung auf dem Sub strat, welches über die Montageseite mit dem Kondensatorauf bau verbunden ist, kontaktiert werden.

Hierdurch gelingt es, zusätzlich elektronische Funktionalitä ten in den Kondenatoraufbau zu integrieren, welche bei der Herstellung von standardisierten Kondensatoraufbauten in gro ßer Stückzahl vorteilhaft kostengünstig hergestellt werden können. Ein Montageaufwand bei der Auslegung beispielsweise von leistungselektronischen Schaltungen wird dadurch vorteil haft verringert, da die elektronische Funktionalität nicht während der Herstellung der leistungselektronischen Schaltung gesondert montiert werden muss.

Um die Leitpfade für eine elektronische Funktionalität nutzen zu können, kann die Baustruktur vorteilhaft einen Schaltungs träger aufweisen. Dieser kann beispielsweise aus einem orga nischen und/oder anorganischen Substrat (z. b. einer Leiter platte) bestehen, die in geeigneter Weise strukturiert ist. Diese stellt dann die Verbindung zwischen den Leitpfaden und einer elektronischen Schaltung her. Vorteilhaft kann hier auf eine bewährte Technologie zurückgegriffen werden, was den Fertigungsaufwand minimiert und die Zuverlässigkeit maxi miert .

Auf dem Schaltungsträger kann gemäß einer besonderen Ausge staltung der Erfindung eine Treiberschaltung für mindestens ein leistungselektronisches Bauelement ausgebildet sein. Auf diese Weise entsteht vorteilhaft ein Leistungsmodul, welches mit weiteren Leistungsmodulen zu einer leistungselektroni schen Schaltung kombiniert werden kann.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Bau struktur auch aus einer Kühlstruktur bestehen. Diese wird thermisch leitend an die zu kühlende Struktur angefügt, so dass vorteilhaft kurze Leitungswege für die erzeugte Wärme entstehen. Dadurch kann die Kühlstruktur vorteilhaft mit ei ner verbesserten Effizienz betrieben werden, wodurch Bauraum gespart werden kann. Außerdem verringern die vormontierten Kühler bei der Verwendung des Kondensatoraufbaus in einer leistungelektronischen Schaltung den Montageaufwand.

Vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass die Baustruktur min destens ein Sensorelement, insbesondere einen Temperatur sensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Stromsensor und/oder einen Beschleunigungssensor und/oder ei nen Gassensor aufweist. Die Sensorsignale können vorteilhaft dazu genutzt werden, den Betriebszustand und/oder betriebsbe dingte Veränderungen des Kondensatoraufbaus (Alterung, Be schädigung healthmonitoring, d. h. Eigenszustandsbeobachtung) ermitteln, um hieraus Informationen über den Betriebszustand des Kondensatoraufbaus zu gewinnen. Möglich sind Aussagen über eine Restlebensdauer oder ein bevorstehendes Versagen o- der eine Überlastung des Kondensatoraufbaus oder Leistungsmo duls. Die Sensorsignale können mit einer Auswerteschaltung verarbeitet werden, um zu den genannten Aussagen zu gelangen.

Temperatursensoren kommen beispielsweise zum Einsatz, damit die Betriebstemperatur der Leistungsmodule überwacht werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise ein rechtzeitiges Abschalten, um eine Überlastung oder Beschädigung des Leis tungsmoduls zu verhindern. Ein Temperatursensor kann aber auch zum Einsatz kommen, um die Umgebungstemperatur der leis tungselektronischen Schaltung zu bestimmen, und beispiels weise das voraussichtliche Kühlungsverhalten zu bestimmen. Feuchtigkeitssensoren können verwendet werden, um die Be triebsbedingungen für die leistungselektronische Schaltung zu überwachen. Bei einer zu hohen Feuchtigkeit muss die leis tungselektronische Schaltung getrocknet werden, bevor ein Be trieb oder Weiterbetrieb möglich ist. Eine zu hohe Feuchtig keit kann beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen durch die Bildung von Tau entstehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass eine Wasserkühlung undicht geworden ist.

Stromsensoren kommen zum Einsatz, um den Betriebszustand der leistungselektronischen Schaltung zu überwachen. Beispiels weise kann die Strombelastung in den einzelnen Leistungsmodu len miteinander verglichen werden. Eine Strommessung kann beispielsweise auch für einen Betrieb einer Treiberschaltung für die Leistungsmodule erforderlich sein (hierzu im Folgen den noch mehr) .

Das Sensorelement kann vorteilhaft auch als Beschleunigungs sensor ausgebildet sein. Beschleunigungssensoren ermöglichen vorteilhaft die Ermittlung von mechanischen Beanspruchungen der leistungselektronischen Schaltung. Beispielsweise können Ereignisse aufgezeichnet werden, welche einen Weiterbetrieb der leistungselektronischen Schaltung ausschließen, bevor eine Wartung vorgenommen wurde, beispielsweise weil die leis tungselektronische Schaltung bei einem mobilen Einsatz herun tergefallen ist. Beschleunigungssensoren können aber auch verwendet werden, um beispielsweise Vibrationen zu ermitteln. Abhängig von Häufigkeit und Stärke der Vibration können z. B. flexible Wartungsintervalle für die leistungselektronische Schaltung ausgegeben werden.

Weiterhin kann vorteilhaft die Baustruktur eine elektrische Schirmstruktur aufweisen, die den Kondensatoraufbau zumindest teilweise ummantelt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, elektrische Schaltungen vor störenden Einflüssen zu schützen. Zuletzt kann der Innenraum der Haltestruktur vorteilhaft ge kapselt sein. Zur Kapselung können anorganische und organi sche Vergussmassen z.B. aus Silikon oder Gießharzen verwendet werden, wobei diese selbst elektrisch isolierend sind. Eine Kapselung mittels eines geeigneten Kapselmaterials hat den Vorteil, dass der Kondensatoraufbau besser vor Umwelteinflüs sen (Staub, Feuchtigkeit) geschützt werden kann.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird erhalten, wenn die Haltestruktur ein elektrisch isolierendes Material aufweist (insbesondere Kunststoff) , in das die erste Elektrode und die zweite Elektrode integriert sind. Das In tegrieren dieser Elektroden kann auf verschiedene Arten er folgen. Beispielsweise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch das isolierende Material umspritzt werden. Hierzu eignet sich vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff oder ein anderer Funktionskunststoff. Dabei blei ben die für die Kondensatoren vorgesehenen elektrischen Kon taktflächen sowie die Anschlussflächen für die Oberflächen montage frei, damit eine elektrische Verbindung zwischen den besagten Bauelementen hergestellt werden kann (vorzugsweise durch eine Lötverbindung und/oder durch eine Sinterverbindung und/oder durch Leitklebeverbindung und/oder durch Metallsprü hen) . Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Gehäuse aus dem Material einzeln herzustellen (beispielsweise durch

Spritzgießen) , wobei dieses Aufnahmen für die Elektrode auf weist. Diese können dann beispielsweise eingeklebt oder ein gelegt oder eingeclipt werden.

Das elektrisch isolierende Material verbessert vorteilhaft die Handhabung des Kondensatoraufbaus , da dieser bereits vor der Montage der Kondensatoren einen selbsttragenden Aufbau ausbilden kann. Außerdem bewirkt das elektrisch isolierende Material, dass die elektrische Isolation des Kondensatorauf baus zu seiner Umgebung verbessert wird. Das elektrisch iso lierende Material ist überdies vorteilhaft robust, insbesondere wenn es sich um einen Kunststoff handelt, so dass die Gefahr von Beschädigungen des Kondensatoraufbaus bei der Montage minimiert wird.

Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass aus dem elektrisch isolierenden Material mindestens eine Aufnahme für die Baustruktur ausgebildet ist. Hierdurch kann die Montage von als einzelne Komponenten ausgebildeten Baustrukturen vor teilhaft erleichtert werden, was Montageaufwand einspart. Au ßerdem sind die in die Aufnahme integrierten Baustrukturen vorteilhaft gut fixiert, wodurch nicht zuletzt die Zuverläs sigkeit des gesamten Kondensatoraufbaus verbessert wird. Die Aufnahme kann überdies vorteilhaft als Schutz für die aufge nommene Baustruktur dienen, was sich sowohl bei der Montage als auch beim Betrieb des Kondensatoraufbaus positiv aus wirkt .

Die oben angegebene Aufgabe wird außerdem mit dem eingangs angegebenen Leistungsmodul erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kondensatoraufbau der vorstehend beschriebenen Art mit dem leistungselektronischen Bauelement elektrisch kontak tiert ist. Wie bereits beschrieben, ist es bei vielen leis tungselektronischen Aufbauten erforderlich, dass leistungs elektronische Bauelemente mit Kondensatoren kombiniert werden (hierzu im Folgenden mehr) . Daher eignet sich der Kondensato raufbau vorteilhaft zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit verringertem Montageaufwand für das Leistungsmodul, da der Kondensatoraufbau bereits vormontiert werden kann.

Die leistungselektronischen Bauelemente sind vorzugsweise als Nacktchip ausgeführt. Dieser lässt sich direkt mit der Sub stratplatte kontaktieren, beispielsweise durch eine Sinter verbindung, die auch einen elektrischen Kontakt gewährleis tet. Die Substratplatte kann vorzugsweise aus einer Keramik hergestellt sein. Diese leitet den elektrischen Strom nicht, so dass gleichzeitig eine elektrische Isolation gewährleistet ist. Daher kann eine elektronische Schaltung durch Struktu rieren einer elektrisch leitenden Beschichtung auf der Substratplatte realisiert werden. Hierdurch werden beispiels weise Kontaktflachen zur Kontaktierung der leistungselekt- roni-schen Bauelemente zur Verfügung gestellt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Leistungsmodule hat den Vorteil, dass diese mit vergleichsweise geringem Aufwand bei der Konzipierung und bei der Montage auf dem Basisschaltungs träger zu verschiedenen Konfigurationen kombiniert werden können, um leistungselektronische Schaltungen mit unter schiedlichen Anforderungen zu realisieren. Der Basisschal tungsträger kann dabei beispielsweise als Leiterplatte ausge bildet sein, wobei eine Schaltung auf der Oberfläche zur Kon taktierung mit den verwendeten Leistungsmodulen vorgesehen sein kann. Der Basisschaltungsträger kann beispielsweise aber auch aus einem Gehäuseteil oder dergleichen bestehen, wobei das Gehäuse dann gleichzeitig als Tragkörper zur Ausbildung der leistungselektronischen Schaltung dient.

Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, dass das leistungselektronische Bauelement auf der einen Seite der Substratplatte montiert ist und der Kondensatoraufbau auf der anderen Seite der Sub stratplatte montiert ist. Verbindungen zwischen dem leis tungselektronischen Bauelement und dem Kondensatoraufbau kön nen beispielsweise mittels einer Durchkontaktierung in der Substratplatte erzeugt werden. Die Substratplatte ermöglicht weiterhin eine einfache Montage des Leistungsmoduls in einer größeren leistungselektronischen Schaltung, wodurch Ferti gungsaufwand eingespart werden kann. Beispielsweise ist es möglich, die Substratplatte, die mit dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement bestückt ist, auf einem Basisschaltungsträger zu montieren. Dabei können Verfahren der Oberflächenmontage zum Einsatz kommen. Handelt es sich bei dem leistungselektronischen Bauelement um einen Leistung schip, kann dieser mit der der Substratplatte abgewandten Seite direkt mit dem besagten Basisschaltungsträger kontak tiert werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Kom ponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er findung ergänzbar.

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leis tungsmoduls mit einem Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Kondensatoraufbaus in dreidimensio naler Ansicht, teilweise geschnitten,

Figur 2 das Detail II gemäß Figur 1, teilweise aufgeschnit ten,

Figur 3 eine leistungselektronische Schaltung mit einer

Vielzahl von Leistungsmodulen, die gemäß Figur 1 o- der ähnlich aufgebaut sein können, als Aufsicht,

Figur 4 schematisch einen Schaltplan für eine Kontaktierung von Leistungsmodulen gemäß Figur 1 in einer leis- tungselektronischen Schaltung gemäß F Lgur 3,

Figur 5 ein anderes Ausführungsbeispiel für einen erfin

dungsgemäßen Kondensatoraufbau in dreidimensionaler Darstellung, teilweise aufgeschnitten, und Figur 6 ein letztes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Leistungsmoduls mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensatoraufbaus als Sei tenansicht, teilweise aufgeschnitten .

Ein Leistungsmodul 11 gemäß Figur 1 weist eine Substratplatte 12 auf, auf deren sichtbarer Oberseite 13 ein Kondensatorauf bau 14 nach einem Verfahren der Oberflächenmontage montiert wurde. Der Kondensatoraufbau weist acht Kondensatoren 15 auf, von denen in Figur 1 jedoch nur sieben dargestellt sind (der rechts oben angeordnete Kondensator fehlt; hierzu im Folgen den noch mehr) . Die Kondensatoren 15 weisen jeweils erste Kondensatorelektroden 16 und zweite Kondensatorelektroden 17 auf, wobei die ersten Kondensatorelektroden 16 mit einer ers ten Elektrode 18 und die zweiten Kondensatorelektroden 17 mit einer zweiten Elektrode 19 durch nicht näher dargestellte Blödverbindungen oder anderen Stoff- oder formschlüssige Ver bindungen elektrisch kontaktiert sind. Die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 19 weisen überdies je eine Kontakt struktur 20 auf, die mit ihren unteren Seiten an der ersten Elektrode eine erste Anschlussfläche und an der zweiten

Elektrode eine zweite Anschlussfläche bilden (in Figur 1 nicht zu erkennen, da der Oberseite 13 zugewandt) . Mit der ersten Anschlussfläche und der zweiten Anschlussfläche, die gemeinsam die Montageseite des Kondesatoraufbaus 14 ausbil den, ist dieser auf die Oberseite der Substratplatte 12 mit tels einer nicht näher dargestellten Lötverbindung 21 (vgl. Figur 2) montiert.

Die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 19 bilden ge meinsam eine Haltestruktur für die Kondensatoren 15 aus. Da die Kondensatoren 15 mit ihren ersten Kontaktelektroden 16 und ihren zweiten Kontaktelektroden 17 mit Seitenwänden 22 der ersten Elektrode 18 und zweiten Elektrode 19 verlötet sind, entsteht der selbsttragende Kondensatoraufbau 14, ob wohl die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 18 nicht direkt miteinander verbunden sind. Zusätzliche Stabilität erlangt der Kondensatoraufbau 11 durch Montage auf der Sub stratplatte 12. Außerdem ist auf Aufnahmestrukturen 23 der ersten Elektrode 18 und der zweiten Elektrode 19 ein Schal tungsträger 24 als zusätzliche Baustruktur befestigt, wobei der Schaltungsträger 24 eine Verbindung zwischen der ersten Elektrode 18 und der zweiten Elektrode 19 herstellt und damit die Haltestruktur stabilisiert.

In der Seitenwand 22 der ersten Elektrode 18 (nicht zu erken nen in Figur 1) und der zweiten Elektrode 19 sind Fenster 28 eingestanzt. Diese eröffnen die Möglichkeit, Zungen 29 in den Innenraum der Haltestruktur hinein zu biegen, die eine Posi tionierung der Kondensatoren 15 erleichtern und überdies die elektrische Kontaktfläche vergrößern. Da der rechts oben be findliche Kondensator hinter der Seitenwand 22 weggelassen wurde, kann die Zunge 29 dort dargestellt werden. In den an deren Fenstern sind die Zungen von den zweiten Kondensatorel ektroden 17 verdeckt.

Auf dem Schaltungsträger 24 ist ein Sensorelement 25a befes tigt, wobei es sich beispielsweise um einen Temperatursensor oder einen Beschleunigungssensor (oder Feuchtesensor oder Gassensor) handelt. Über Leiterbahnen 26 auf dem Schaltungs träger 24 ist das Sensorelement 25a mit einer Auswertungs schaltung in Form eines integrierten Schaltkreises 27 verbun den. Der integrierte Schaltkreis 27 kann das Sensorsignal auswerten und in nicht näher dargestellter Weise für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen (beispielsweise über nicht dargestellte Leitungsverbindungen oder eine schnurlose Schnittstelle, also über Funk oder Infrarot) .

Als weitere Baustruktur sind an den Seitenkanten der Seiten wand 22 Rippen 30 als Versteifungsstruktur hergestellt. Diese können durch Umbiegen der Seitenkanten der Seitenwände 22 er zeugt werden. Die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 19 können somit kostengünstig als Leadframe durch Stanzen und anschließendes Biegen erzeugt werden. Durch Biegen können auch jeweils die Aufnahmestrukturen 23 und die Kontaktstruk- turen 20 hergestellt werden.

In Figur 2 ist dargestellt, wie eine Kontaktierung der Kon densatoranordnung 14 gemäß Figur 1 mit einem als Transistor ausgeführten leistungselektronischen Bauelement 31 erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist die Kontaktstruktur 20 über die Lötverbindung 21 mit einem Kontaktpad 32a kontaktiert, wobei das Kontaktpad 32a über eine Durchkontaktierung 33a mit einer Sourceelektrode 34 des leistungselektronischen Bauelements 31 kontaktiert ist. Die Sourceelektrode 34 ist außerdem über eine Leiterbahn 35 mit einem Distanzstück 36 verbunden, wel ches dieselbe Höhe wie das leistungselektronische Bauelement 31 aufweist.

Eine Drainelektrode 37 des leistungselektronischen Bauele ments 31 ist über eine Kontaktflache 38a und das Distanzstück 36 ist über eine Kontaktflache 38b mit einem Basisschaltungs träger 39 verbunden. Der Basisschaltungsträger 39 stellt eine Grundplatte zur Verfügung, auf der die ganze elektronische Schaltung, bestehend aus mehreren Leistungsmodulen gemäß Fi gur 1, montiert ist (vgl. auch Figur 3) .

Bei dem leistungselektronischen Bauelement gemäß Figur 2 han delt es sich um einen Transistor. Damit dieser geschaltet werden kann, ist weiterhin eine Gateelektrode 40 notwendig. Damit diese angesteuert werden kann, ist in der Substrat platte 12 eine Durchkontaktierung 33b vorgesehen, die von ei nem Kontaktpad 32b zu einem Kontaktpad 32c führt.

Sourceelektrode 34, Gateelektrode 40, Drainelektrode 37 sowie Fügeschichten 41 am Distanzstück 36 sind als Sinterverbindun gen ausgebildet.

In Figur 3 ist dargestellt, wie mehrere Leistungsmodule 11 auf einem Basisschaltungsträger 39 gemäß Figur 2 zu einer leistungselektronischen Schaltung 42 kombiniert werden kön nen. Fünf Leistungsmodule 11 sind jeweils zu einer Reihe 43 konfiguriert, wobei insgesamt sechs Reihen vorgesehen sind. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, ist von der Substratplatte 12 nur die linke Seite dargestellt, wobei die rechte Seite ein weiteres leistungelektronisches Bauelement 31 aufweist (wie in Figur 6 dargestellt) . Dies bedeutet, dass auf der nicht dargestellten Seite der Substratplatte gemäß Figur 2 eben falls ein Transistor als leistungselektronisches Bauelement verbaut ist. Hieraus ergibt sich eine Kontaktierungsmöglich keit, die in Figur 3 für jedes Leistungsmodul 11 realisiert ist und in Figur 4 schematisch als Schaltbild dargestellt ist .

In Figur 4 ist der Kondensator 15 als Ersatz für den gesamten Kondensatoraufbau gemäß Figur 1 dargestellt. Dies dient der Vereinfachung der Darstellung, wobei alternativ auch eine Vielzahl parallel geschalteter Kondensatoren zum Einsatz kom men kann. Der Kondensator 15 gemäß Figur 4 wie auch der Kon densatoraufbau 14 ist lediglich schematisch dargestellt. Ge nauso verhält es sich mit der Substratplatte 12 und den da rauf montierten leistungselektronischen Bauelementen, die durch einen ersten Transistor 44 und einen zweiten Transistor 45 ausgebildet sind. Der erste Transistor 44 ist mit seiner Source-Elektrode an den auch als High-Side bezeichneten Plus pol 46 angeschlossen, während der zweite Transistor 45 mit seiner Drain-Elektrode an den auch als Low-Side bezeichneten Minuspol 47 angeschlossen ist. Die Drain-Elektrode des ersten Transistors 44 ist mit der Source-Elektrode des zweiten Tran sistors 45 sind miteinander verbunden, wobei hierdurch eine Halbbrücke 64 mit einem Phasenkontakt 48 entsteht.

Zur Ansteuerung des Leistungsmoduls 11 ist der Kondensato raufbau 14 mit einer Treiberschaltung 49 versehen, die gemäß Figur 5 beispielsweise auf einer Oberseite 50 des Kondensato- raufbaus 14 untergebracht sein kann.

Die Treiberschaltung gemäß Figur 4 ist nur schematisch darge stellt, um deren Funktion im Grundsatz zu beschreiben. Die Treiberschaltung weist eine Controllerfunktion C auf sowie eine Sensorfunktion S. Die Controllerfunktion wird durch Kontaktleitungen 51 als Schnittstelle zu den Gate-Elektroden des ersten Transistors 44 und des zweiten Transistors 45 ge währleistet. Damit kann die Treiberschaltung beide Transisto ren als Schalter intelligenter ansteuern. Die für diese Funk tion notwendigen Informationen werden durch die Sensorfunk tion S zur Verfügung gestellt. Die Sensorfunktion wird über Signalleitungen 52 gewährleistet, mit denen ein Stromfluss vor und hinter dem Kondensator 15 sowie vor und hinter dem Phasenkontakt 48 in der Halbbrücke 64 abgegriffen werden kann .

Der Kondensator 15 ist mit dem Pluspol 46 und dem Minuspol 47 verbunden und erfüllt damit eine Glättungsfunktion, die für einen mehrphasigen Betrieb der leistungselektronischen Schal tung 42 gemäß Figur 3 erforderlich ist.

Wie in Figur 3 zu erkennen ist, ist die leistungselektroni sche Schaltung 42 gemäß Figur 3 modular aufgebaut. Mittels der durch die Leistungsmodule 11 gemäß Figur 4 realisierten Schaltung können diese in drei Gruppen jeweils gemeinsam ver wendet werden, um aus einer am gemeinsamen Pluspol 46p und am gemeinsamen Minuspol 47m anliegenden Gleichspannung eine dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen, die an den gemeinsa men Phasenkontakten 48a, 48b, 48c abgegriffen werden kann.

Die Höhe des zu schaltenden maximalen Stroms bestimmt, wie viele der Leistungsmodule 11 pro Phase zum Einsatz kommen müssen. Gemäß Figur 3 handelt es sich um jeweils zehn Leis tungsmodule 11 pro Phase.

Wie zu erkennen ist, sind die Elektroden 53m, 53p des Plus pols 46p und des Minuspols 47m kammartig ausgebildet, so dass jeweils durch die den Pluspol 46p bildende Elektrode 53p je der erste Transistor 44 jedes Leistungsmoduls 11 und mit der den Minuspol 53m Elektrode 53m jeder zweite Transistor 45 je des Leistungsmoduls 11 kontaktiert werden kann. Die Phasen kontakte 48a, 48b, 48c sind jeweils mit U-förmigen Elektroden 54a, 54b, 54c verbunden, welche jeweils im mittleren Bereich der Leistungsmodule 11 sowohl den ersten Kondensator 44 als auch den zweiten Kondensator 45 kontaktieren und auf diese Weise jeweils eine der drei Gruppen von je zehn Leistungsmo dulen 11 über eine Halbbrücke (64 in Figur 4) kontaktieren. Damit ist für jedes der Leistungsmodule 11 eine Schaltung ge mäß Figur 4 realisiert, wobei jede Gruppe von Leistungsmodu len 11 parallel geschaltet ist.

Bei der Kondensatoranordnung 14 gemäß Figur 5 kommen eine erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 19 zum Einsatz, um die Kondensatoren 15 in der zu Figur 1 beschriebenen Weise zu kontaktieren. Gemäß Figur 5 sind fünf Kondensatoren 15 übereinander und je zwei Kondensatoren nebeneinander angeord net. Der Kondensatoraufbau 14 weist anders als in Figur 1 ein elektrisch isolierendes Material 55 auf. Dieses besteht gemäß Figur 5 aus Kunststoff, wobei die erste Elektrode 18 und die zweite Elektrode 19 derart in das Material 55 eingespritzt ist, dass eine Kontaktierung mit den Kondensatoren 15 erfol gen kann (sog. Montagespritzgießen).

Das Material 55 ist in Figur 5 nur ausschnittweise darge stellt. Die durch das Material 55 gebildete Gehäusestruktur ist weitgehend aufgebrochen, wobei lediglich die Konturen 55a, die durch das Material 55 gebildet sind, mit Strich punktlinien angedeutet sind. Daher können die im Inneren des Materials angedeuteten Strukturen in Figur 5 erkannt werden. Dazu zählen neben der ersten Elektrode 18 und der zweiten Elektrode 19 sowie den Kondensatoren 15 auch elektrische Leitpfade 56, die durch metallische Leiter gebildet sind und die Oberseite 50 elektrisch mit der Montageseite der Konden satoranordnung 14 verbinden. Die Leitpfade bilden auf der Montageseite Kontaktstrukturen 57 aus, die auf einer Sub stratplatte (vgl. 12 in Figur 1) kontaktiert werden können, wenn auf dieser entsprechende Kontaktpads vorhanden sind.

Auf der Oberseite 50 kann die Treiberschaltung 49 gemäß Figur 4 angeordnet werden. Damit diese die auf der Substratplatte gemäß Figur 2 angeordneten leistungselektronischen Bauele mente 31 ansteuern kann, können die Leitpfade 56 genutzt werden. Auf der Oberseite 15 sind zu diesem Zweck Leiterbah nen 58 und Kontaktpads 59 vorgesehen, wobei die Kontaktpads 59 mit den Leitpfaden 56 in elektrischer Verbindung stehen.

Die durch die Elektrode 19 gebildete Seitenwand wird zusätz lich zur Unterbringung einer Kühlstruktur 60 als Baustruktur verwendet, wobei die Kühlstruktur 60 aus einem passiven Alu miniumkühler mit Rippen 61 besteht. Alternativ (nicht darge stellt) könnte auch ein aktiver Kühler mit einem Kühlkanal verwendet werden, der einen Zulauf und einen Ablauf für ein vorzugsweise flüssiges Kühlmedium aufweist.

In Figur 6 ist ein weiteres Leistungsmodul 11 dargestellt. Dieses ist in bereits beschriebener Weise auf der Substrat platte 12 montiert, wobei diese leistungselektronische Bau elemente 31 und Distanzstücke 36 aufweist (Anordnung wie in Figur 2) . Der Kondensatoraufbau 14 ist lediglich schematisch dargestellt und kann wie in Figur 5 dargestellt aufgebaut sein. Auf der Seitenwand 22 ist ein Sensorelement 25b befes tigt, wobei es sich hierbei beispielsweise um einen Tempera tursensor oder einen Feuchtigkeitssensor oder einen Beschleu nigungssensor handeln kann. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fi gur 6 kann das Sensorsignal über eine Signalleitung 62 einer nicht näher dargestellten Treiberschaltung auf der Substrat platte 12 zugeführt werden.

Als weitere Baustruktur weist das Leistungsmodul 11 gemäß Fi gur 6 eine Schirmstruktur 63 auf, welche beispielsweise aus einem Metallgitter bestehen kann. Hierdurch ist eine elektro magnetische Abschirmung des Leistungsmoduls möglich, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.