Leistungsschaltung und Verfahren zum Herstellen einer Leistungsschaltung

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschaltung, insb. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer genannten Leistungsschaltung.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:

Leistungsschaltungen, wie z. B. Leistungsinverter oder Leistungsgleichspannungswandler, werden in vielen Leistungsanlagen wie z. B. elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Dabei ist eine zuverlässige Funktionalität der Leistungsschaltungen aufgrund deren Einsatzort enorm wichtig. Daraus besteht die allgemeine Anforderung, die Leistungsschaltungen in ihrer Funktionalität zuverlässiger zu gestalten. Darüber hinaus besteht wie bei allen technischen Vorrichtungen auch bei den Leistungsschaltungen, diese möglichst kosteneffizient herzustellen.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine oben genannte Leistungsschaltung zuverlässiger gestaltet und kosteneffizienter hergestellt werden können.

Beschreibung der Erfindung:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungsschaltung, insb. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, bereitgestellt.

Die Leistungsschaltung weist mindestens ein Leistungsmodul, bspw. einer Inverterhalbbrücke, auf, das mindestens einen umspritzten oder ummoldeten Abschnitt (bzw. Schaltungsabschnitt) aufweist. Die Leistungsschaltung weist ferner mindestens eine Steuer-Leiterplatte auf, die auf dem Leistungsmodul angeordnet ist. Das Leistungsmodul weist in dem oben genannten Abschnitt Kontaktflächen (bzw. Kontaktelemente mit Kontaktflächen) auf, die auf einer zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls vorgesehen sind. Die Kontaktflächen dienen zur Herstellung von signalführenden Stromverbindungen mit der Steuer-Leiterplatte.

Die Steuer-Leiterplatte weist mindestens eine Ausnehmung auf, die die zuvor genannten Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls zumindest teilweise freilegt. Die Steuer-Leiterplatte weist ferner Kontaktflächen auf, die sich am Rand der Ausnehmung befinden.

Dabei sind die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls jeweils über direkte, (bzw. direkt und zumindest teilweise) durch die oben genannte Ausnehmung hindurchgeführte oder an die Ausnehmung heran reichende Stromverbindungen mit den jeweiligen, korrespondierenden Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte verbunden.

Dadurch sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte jeweils mit den jeweiligen Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls (direkt) elektrisch verbunden.

Das Leistungsmodul weist in der Regel Leistungsschaltungskomponenten, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter, auf, die bspw. im Falle, dass die Leistungsschaltung ein mehrphasiger Leistungsinverter ist, eine oder mehrere der Inverterhalbbrücken des Leistungsinverters bilden.

Diese Leistungsschaltungskomponenten sind von einer elektrisch isolierenden Spritzmasse oder Moldmasse umspritzt bzw. ummoldet und bilden samt der Spritzmasse bzw. Moldmasse den oben genannten Schaltungsabschnitt. Die Spritzmasse bzw. Moldmasse fixiert dabei die Leistungsschaltungskomponenten zueinander und ggf. auch mit den Komponenten des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung außerhalb des Schaltungsabschnitts. Darüber hinaus dient die Spritzmasse bzw. Moldmasse zum einen als mechanischer Schutz zum Schutz des Schaltungsabschnitts des Leistungsmoduls und somit die Leistungsschaltungskomponenten in der Spritzmasse bzw. Moldmasse vor mechanischen Einflüssen, wie z. B. äußeren mechanischen Stößen. Zum anderen dient die Spritzmasse bzw. Moldmasse zur elektrischen Isolation zwischen den Leistungsschaltungskomponenten in dem Abschnitt. Außerdem bildet die Spritzmasse bzw. Moldmasse eine stabile Halterung für den Schaltungsabschnitt bzw. die Leistungsschaltungskomponenten sowie deren Leistungsstrom- und Signal-Anschlüsse. Zudem bildet die Spritzmasse bzw. Moldmasse einen Trägerrahmen den Abschnitt mit entsprechenden Anformungen, wie z. B. Vorsprüngen, Vertiefungen, Nuten und/oder Stegen, zur Befestigung des Leistungsmoduls mit anderen Komponenten der Leistungsschaltung und/oder externen Vorrichtungen. Insb. kann die Spritzmasse bzw. Moldmasse als Halterung für die Leistungs- und Signal-Anschlüsse des Leistungsmoduls dienen.

Als Ausgangsmaterial für die Spritzmasse bzw. Moldmasse können bspw. Duroplaste, Hartvergussmaterialien und auch Zement verwendet werden. Das Leistungsmodul kann bspw. als ein Rahmenmodul oder ein Moldmodul ausgeführt sein.

Die Steuer-Leiterplatte ist auf dem Leistungsmodul angeordnet, wobei diese auf dem Schaltungsabschnitt mittels bekannten Mittels, wie z. B. Schrauben, befestigt werden kann. Dabei kann auf der Steuer-Leiterplatte eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leistungsmoduls gebildet sein.

Das Leistungsmodul weist in dem Schaltungsabschnitt und auf einer zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmodul bzw. des Schaltungsabschnitts Kontaktflächen zur Herstellung von (insb. signalführenden) Stromverbindungen auf, die zur Steuer-Leiterplatte gewandt sind. Die zur Steuer-Leiterplatte gewandten Kontaktflächen ermöglichen kurze Stromverbindungen von dem Leistungsmodul zur darüber liegenden Steuer-Leiterplatte. Dabei sind die Kontaktflächen bspw. als in das Leistungsmodul bzw. in den Schaltungsabschnitt (bzw. in die Spritzmasse bzw. Moldmasse) integrierte Signalpads gebildet. Alternativ können die Kontaktflächen durch (insb. signalführende) Anschlüsse der in die Spritzmasse bzw. Moldmasse eingebetteten Leistungsschaltungskomponenten gebildet sein, die noch von der Spritzmasse bzw. Moldmasse bedeckt sind. Insb. dienen die Kontaktflächen zur Übertragung der (modulinternen) Steuer- und Sensorsignale.

Die Steuer-Leiterplatte weist wiederum mindestens eine Ausnehmung auf, die die oben genannten Kontaktflächen auf dem Leistungsmodul bzw. dem Schaltungsabschnitt zumindest teilweise freiliegt.

Die Ausnehmung bzw. das Freilegen der Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt ermöglichen eine Bildung von direkten, bauraumsparenden Stromverbindungen zwischen Schaltungskomponenten der Steuer-Leiterplatte, die auf einer vom Leistungsmodul bzw. Schaltungsabschnitt abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte angeordnet sind, und den Leistungsschaltungskomponenten auf dem Schaltungsabschnitt durch die Ausnehmung hindurch. Insb. erleichtert die Ausnehmung den Verbindungsprozess, bei dem die Stromverbindungen auf die Kontaktflächen des Schaltungsabschnitts befestigt werden, wie z. B. durch (Draht-)Bonden, Löten, Sintern, (Laser-)Schweißen. Die zur Verbindung erforderlichen Mittel bzw. Werkzeuge durch die Ausnehmung hindurch auf den Kontaktflächen des Schaltungsabschnitts platziert werden können.

Die Steuer-Leiterplatte weist ihrerseits Kontaktflächen auf, die über direkte, (bzw. direkt) durch die Ausnehmung hindurchgeführte Stromverbindungen mit den Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt elektrisch verbunden sind. Dabei befinden sich die Kontaktflächen auf der Steuer-Leiterplatte am Rande der Ausnehmung, insb. auf einer vom Leistungsmodul bzw. Schaltungsabschnitt abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte. Die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte dienen insb. und analog zu den Kontaktflächen des Leistungsmoduls zur Übertragung der (leiterplatte-internen) Steuer- und Sensorsignale.

Neben der Bildung von direkten, bauraumsparenden Stromverbindungen ermöglicht die Ausnehmung zudem, dass die Stromverbindungen, die weitgehend durch die Ausnehmung hindurchgeführt sind und somit von dem Steuer-Leiterplatte-Material umgeben ist, durch die Steuer-Leiterplatte vor äußeren Einflüssen, wie z. B. mechanischen Stößen, effektiv geschützt sind.

Die zuvor genannten Leistungsschaltungskomponenten sind bspw. als Silizium (Si)- oder Siliziumkarbid (SiC)-basierte Halbleiterschalter, wie z. B. Silizium-IGBT (IGBT: Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), Silizium-MOSFETs (MOSFET: „Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor“) oder Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFET), gebildet.

Dadurch, dass die Steuer-Leiterplatte zur Ansteuerung des Leistungsmoduls nicht in dem Leistungsmodul bzw. dem umspritzten bzw. ummodelten Schaltungsabschnitt mitintegriert ist, lässt sich die Leistungsschaltung mit geringen Herstellungskosten und einer hohen Flexibilität bei der Auswahl und der Parametrisierung der Steuer-Leiterplatte herstellen.

Ein Nachteil, dass wegen der räumlichen Trennung der Steuer-Leiterplatte von dem Leistungsmodul eine niedrige (parasitäre) Induktivität im Ansteuerstromkreis von der Steuer-Leiterplatte zu dem Leistungsmodul schwer realisierbar ist, kann durch die direkten, (bzw. direkt) durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen von der Steuer-Leiterplatte zu dem Leistungsmodul vermieden bzw. dessen negative Auswirkung verringert werden. Durch die direkten durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen können die Geometrie der (Signal-)Leitungsführung der Stromverbindungen, d. h. durch die aufgespannte Fläche von Hin- und Rückleiter zwischen der Steuer-Leiterplatte einerseits und dem Leistungsmodul bzw. den einzelnen Leistungsschaltungskomponenten andererseits, und somit auch die parasitäre Induktivität in dieser Leitungsführung reduziert werden. Folglich ist ein schnelles und damit verlustarmes Schalten der Leistungsschaltungskomponenten bzw. Silizium (Si)- oder Siliziumkarbid (SiC)-basierten Halbleiterschalter ermöglicht.

Die direkten, durch die Ausnehmung hindurchgeführten kurzen Stromverbindungen vermeiden eine sonst erforderliche, seitliche längere (Signal-)Leitungsführung am Leistungsmodul, die vergleichsweise höhere parasitäre Induktivitäten mit sich bringt und zudem anfällig für externe Einflüsse, wie z. B. mechanische Stöße, ist. Darüber hinaus lassen sich die direkt durch die Ausnehmung hindurchgeführten Stromverbindungen mit einfachen Mitteln bzw. Werkzeugen technisch einfach realisieren. Insb. können die Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls ohne zusätzliche Dichtflächen für die Kontakte mit Spritz- bzw. Mold-Werkzeugen hergestellt werden.

Mit einer geeigneten elektrischen Isolation der Stromverbindungen voneinander und von den restlichen Schaltungskomponenten auf dem Leistungsmodul bzw. auf der Steuer-Leiterplatte kann die Leistungsschaltung für Betriebsspannungen von bis zu 1000 Volt eingesetzt werden.

Die Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls bzw. die Kontaktflächen auf der Steuer-Leiterplatte lassen sich auf relativ kleiner Baufläche mit einer Kontaktdichte von min. 10 Kontakten pro Quadratzentimeter realisieren.

Darüber hinaus erleichtert die Ausnehmung die Verwendung von kostengünstigen, lang erprobten zuverlässigen Verbindungtechniken wie z. B. Bond-, Press-Fit-, Steck-, Löt-, Sinter-, oder (Laser-)Schweiß-Verbindung.

Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, eine Leistungsschaltung, wie z. B. einen Leistungsinverter oder einen Leistungsgleichspannungswandler, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, zuverlässiger zu gestalten und kosteneffizienter herzustellen.

Bspw. sind die Stromverbindungen als Bondverbindungen oder Press-Fit-Verbindungen oder Steckverbindungen ausgeführt. Alternativ können die Stromverbindungen aber auch als Lötverbindungen oder Sinterverbindungen oder Schweißverbindungen bzw. lasergeschweißte Verbindungen ausgeführt sein.

Im Falle, dass die Stromverbindungen als Bondverbindungen ausgeführt sind, können die Bondverbindungen direkt durch die Ausnehmung hindurchgeführt sein. Im Falle, dass die Stromverbindungen als Press-Fit- oder Steckverbindungen ausgeführt sind, können die Press-Fit- bzw. Steckverbindungen durch die Ausnehmung (bzw. die Ausnehmungen) hindurchgesteckt sein.

Im Falle, dass die Stromverbindungen als Press-Fit-Verbindungen mit Press-Fit-Pins ausgeführt sind, kann die Steuer-Leiterplatte mehrere Ausnehmungen, insb. die gleiche Anzahl von Ausnehmungen wie die Anzahl der Press-Fit-Pins, aufweisen. In diesem Fall sind die Press-Fit-Pins jeweils durch eine der Ausnehmungen hindurchgepresst sein.

Die Anordnung bzw. die Befestigung der Press-Fit-Pins auf die entsprechenden Kontaktflächen auf dem Schaltungsabschnitt des Leistungsmoduls erfolgt in diesem Fall insb. wie folgt: Zunächst wird der Schaltungsabschnitt umspritzt bzw. ummoldet, wobei die entsprechenden Kontaktflächen nicht von der Spritz- bzw. Moldmasse bedeckt werden bzw. von der Spritz- bzw. Moldmasse freigelegt werden. Danach werden die Press-Fit-Pins jeweils auf die jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen befestigt, bspw. aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt (ultraschalgeschweißt oder lasergeschweißt).

Bspw. werden die Press-Fit-Pins bei Platzieren und Befestigen der Steuer-Leiterplatte auf das Leistungsmodul bzw. auf den Schaltungsabschnitt jeweils durch die jeweiligen korrespondierenden Ausnehmungen hindurchgepresst bzw. hindurchgeführt. Die Ausnehmungen können vor dem Anordnen und Befestigen der Steuer-Leiterplatte auf dem Leistungsmodul vorgeformt sein oder während des Anordnens und Befestigens durch Hindurchstecken der Press-Fit-Pins durch entsprechende Stellen in der Steuer-Leiterplatte geformt werden.

Im Falle, dass die Stromverbindungen als Löt- oder Sinter- oder (Laser-)Schweißverbindungen ausgeführt sind, kann die Leistungsschaltung Einlagen (auf Englisch „Inlays“) aus Kupfer oder einem vergleichbaren niederohmigen Material aufweisen, die zumindest teilweise in der Ausnehmung angeordnet, oder in die Ausnehmung hineingesteckt, oder durch die Ausnehmung hindurchgesteckt sind. In diesem Fall sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf den Einlagen geformt. Die Kontaktflächen des Leistungsmoduls sind dann auf die Einlagen bzw. auf die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf den Einlagen aufgelötet oder aufgesintert oder (laser-)aufgeschweißt. Dabei bilden die Einlagen bspw. Teil der Stromverbindungen und zugleich auch Teil der Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte.

Bspw. liegen die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls. Alternativ ragen die Kontaktflächen auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls nicht mehr als 1 mm über die Ebene der zur Steuer-Leiterplatte gewandten Oberseite des Leistungsmoduls heraus, oder sind nicht mehr als 1 mm in diese Oberseite des Leistungsmoduls eingelassen.

Alternativ können die Kontaktflächen des Leistungsmoduls auf einer Ebene eines Vorsprungs des Abschnitts liegen, wobei der Vorsprung gegenüber dem Rest des Abschnitts hervorragt und/oder in die Ausnehmung hineinragt oder gar durch die Ausnehmung hindurchragt.

Insb. kann die Kontaktflächen des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm über die Ebene der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm unter der Ebene der zum Leistungsmodul gewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte liegen.

Alternativ kann die Kontaktflächen des Leistungsmoduls in der gleichen Ebene wie die der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm über die Ebene der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte, oder nicht mehr als 1 mm unter der Ebene der vom Leistungsmodul abgewandten Oberseite der Steuer-Leiterplatte liegen.

Bspw. liegen die Kontaktflächen des Leistungsmoduls auf einer Ebene einer Vertiefung des Abschnitts, wobei die Vertiefung gegenüber dem Rest des Abschnitts tiefer liegt. Dabei ist die Vertiefung insb. in Form von einem randumschlossenen Sackloch geformt. Die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte sind auf dem Boden des Sacklochs gebildet.

Bspw. sind die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf einer Oberseite der Steuer-Leiterplatte vorgesehen, die dem Leistungsmodul abgewandt ist. Alternativ können die Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte auf einer Oberseite der Steuer-Leiterplatte vorgesehen sein, die dem Leistungsmodul gewandt ist.

Bspw. liegt die Steuer-Leiterplatte direkt auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls auf.

Alternativ kann die Steuer-Leiterplatte indirekt über eine Zwischenlage des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung auf dem Abschnitt des Leistungsmoduls aufliegen. Dabei kann die Zwischenlage eine Isolierschicht oder eine elektromagnetische Abschirmschicht (bzw. eine elektromagnetische Abschirmvorrichtung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der Leistungsschaltung) sein, die das Leistungsmodul von der Steuer-Leiterplatte elektrisch isoliert bzw. elektromagnetisch abschirmt. Die Zwischenlage weist (in Längserstreckungsrichtung und Quererstreckungsrichtung des Leistungsmoduls betrachtet) auf der Höhe der Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte eine Ausnehmung auf, die wie die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte die Kontaktflächen des Leistungsmoduls freilegt.

Bspw. weist die Steuer-Leiterplatte eine Steuerschaltung auf, die signalübertragend mit den Kontaktflächen der Steuer-Leiterplatte verbunden sind.

Bspw. weist das Leistungsmodul freiliegende Leistungsanschlüsse auf, die zumindest auf einer Oberseite des Leistungsmoduls aus dem umspritzten oder ummoldeten Abschnitt hinausragen und sich parallel zur Längserstreckungsrichtung des Leistungsmoduls erstrecken.

Bspw. verfügt das Leistungsmodul über Leistungshalbleiterschalter mit Steueranschlüssen, wobei die Steueranschlüsse signalübertragend mit den Kontaktflächen des Leistungsmoduls verbunden sind. Das Leistungsmodul kann alternativ oder zusätzlich zu den Steueranschlüssen auch Anschlüsse zur Übertragung von (Kleinleistungs-)Signalen (Signale ohne große Leistungsübertragung), wie z. B. Sensorsignalen (bspw. Signalen einer Strom- oder Temperaturmessung) oder Datensignalen, aufweisen.

Bspw. erstreckt sich die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte durch die gesamte Dicke der Steuer-Leiterplatte hindurch und bildet ein randumschlossenes Durchgangsloch in der Steuer-Leiterplatte.

Bspw. sind die Kontaktflächen in mehreren Gruppen angeordnet, die durch eine Mindestbeabstandung zueinander (je nach Leitungsanforderungen) für Spannungen von unter 100 Volt oder mindestens 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt, 1000 Volt oder mehr voneinander isoliert sind. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Ausnehmung mit einem Isoliermaterial zumindest teilweise verfüllt werden, das die jeweiligen Kontaktflächen-Gruppen für Spannungen von unter 100 Volt oder mindestens 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt, 1000 Volt oder mehr voneinander elektrisch isoliert.

Bspw. ist die Ausnehmung in der Steuer-Leiterplatte (ggf. auch die Ausnehmung in der Zwischenlage des Leistungsmoduls bzw. der Leistungsschaltung) mit einem Isoliermaterial zumindest teilweise verfüllt. Bspw. ist die Leistungsschaltung als ein mehrphasiger Inverter oder ein Teil davon, oder als eine Inverterhalbbrücke mit einer Steuer-Leiterplatte ausgebildet. Insb. weist die Leistungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung des Inverters oder der Inverterhalbbrücke auf. Das Leistungsmodul kann dabei eine oder mehrere Inverterhalbbrücken, oder einen oder mehrere Leistungshalbleiter bzw. Leistungshalbleiterschalter aufweisen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer zuvor beschriebenen Leistungsschaltung bereitgestellt.

Gemäß dem Verfahren wird mindestens ein Leistungsmodul bereitgestellt. Mindestens ein Abschnitt des Leistungsmoduls umspritzt oder ummoldet. Dabei wird der Abschnitt des Leistungsmoduls derart umspritzt oder ummoldet, dass dieser auf einer Oberseite des Leistungsmoduls, auf der eine Steuer-Leiterplatte der Leistungsschaltung angeordnet wird bzw. die der nachfolgend anzuordnenden Steuer-Leiterplatte zugewandt sein wird, mindestens eine Kontaktfläche aufweist. Auf das Leistungsmodul wird mindestens eine Steuer-Leiterplatte mit mindestens einer Ausnehmung angeordnet. Dabei wird die Steuer-Leiterplatte derart auf das Leistungsmodul angeordnet, dass die Ausnehmung die Kontaktfläche des Leistungsmoduls zumindest teilweise freilegt. Die Kontaktfläche des Leistungsmoduls wird über eine direkte, zumindest teilweise durch die Ausnehmung hindurchgeführte oder an die Ausnehmung heran reichende Stromverbindung mit mindestens einer Kontaktfläche der Steuer-Leiterplatte verbunden, die sich am Rand der Ausnehmung der Steuer-Leiterplatte befindet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 in einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Abschnitt der Leistungsschaltung aus Figur 1 ;

Figur 3 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; Figur 4 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 5 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:

Figur 1 und 2 zeigen jeweils in einer schematischen Querschnittdarstellung bzw. einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die bspw. ein Teil eines mehrphasigen Leistungsinverters eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bildet.

Die Leistungsschaltung LS weist ein Leistungsmodul LM mit einem Leistungshalbleiterschalter HS (oder zwei oder mehreren Leistungshalbleiterschaltern, die jeweils aus einem oder mehreren Leistungshalbleitern bestehen können) als eine Inverterhalbbrücke oder mehrere Inverterhalbbrücken des Leistungsinverters oder ein Teil davon und eine Steuerschaltung SS zum Ansteuern des Leistungsmoduls LM bzw. dessen Leistungshalbleiterschalters HS auf. Das Leistungsmodul LM ist auf einem Keramikschaltungsträger KT wie z. B. einem DBG- oder AM B-Träger (auf Englisch „Direct Bond Copper (DBC)“ bzw. „Active Metal Brazed (AMB) Ceramic Substrates“) gebildet. Die Steuerschaltung SS ist auf einer Steuer-Leiterplatte ST gebildet, die auf dem Leistungsmodul LM angeordnet ist. Das Leistungsmodul LM kann auch (über eine elektrische Isolationsschicht) direkt auf einem Kühlkörper (somit ohne einen Keramikschaltungsträger) ausgeführt sein.

Das Leistungsmodul LM weist einen Schaltungsabschnitt AB auf, der von einer elektrisch isolierenden Moldmasse MM (bzw. einer elektrisch isolierenden Spritzmasse) ummoldet (bzw. umspritzt) ist. In der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. die Leistungshalbleiterschalter) zumindest teilweise eingebettet und bildet Teil des Schaltungsabschnitts AB.

Auf einer zur Steuer-Leiterplatte ST gewandten Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB weist das Leistungsmodul LM elektrische Kontaktflächen KF1 (bspw. in Form von bondbaren Signal-Pads) auf, die im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die der Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB liegen und somit nicht von der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) bedeckt sind. Die Kontaktflächen KF1 dienen zur Herstellung von Steuersignal-führenden Kontaktierungen zwischen dem Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. den Leistungshalbleiterschaltern) und der Steuerschaltung SS. Dabei bilden die Kontaktflächen KF1 entweder an sich den oberseitigen Steuersignalanschluss des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. die oberseitigen Steuersignalanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter) oder sind mit dem oberseitigen Steuersignalanschluss des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. den oberseitigen Steuersignalanschlüssen der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch kontaktiert.

Der Leistungshalbleiterschalter HS ist als ein Silizium-IGBT mit einer Diode oder als ein Siliziumkarbid-MOSFET gebildet (bzw. die Leistungshalbleiterschalter sind als Silizium-IGBTs mit jeweils einer Diode oder Siliziumkarbid-MOSFETs gebildet). Die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM bilden dabei die Gate-Anschlüsse (bzw. die Hilfs-Emitter-Anschlüsse bzw. die Kelvin-Source-Anschlüsse) der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS, oder sind mit den Gate-Anschlüssen (bzw. den Hilfs-Emitter-Anschlüssen bzw. den Kelvin-Source-Anschlüssen) der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt (oder über Gate-Vorwiderstände oder über andere Schaltungskomponenten im Gate-Ansteuerkreis indirekt) elektrisch verbunden.

Das Leistungsmodul LM weist ferner Leistungsanschlüsse LA in Form von Stromsammelschienen (auf Englisch „Bus Bars“) auf, die sich aus dem Schaltungsabschnitt AB und somit aus der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) heraus in einer Längserstreckungsrichtung LR der Leistungsschaltung LS bzw. des Leistungsmoduls LM erstrecken. Dabei sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit jeweiligen korrespondierenden unterseitigen Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch verbunden, bspw. auf die jeweiligen korrespondierenden Leistungsstromanschlüsse aufgelötet, aufgesintert oder aufgeschweißt. Hierzu sind die Leistungsanschlüsse LA auf einer der Steuer-Leiterplatte ST abgewandten Oberseite des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. die Steuersignalanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter) angeordnet und mit den unterseitigen Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) direkt elektrisch verbunden. Die Leistungsanschlüsse LA weisen jeweils einen freiliegenden Endabschnitt auf, über die das Leistungsmodul LM an externen elektrischen Vorrichtungen, wie z. B. an einem Energiespeicher oder einem Elektromotor, elektrisch angeschlossen ist. Die Leistungsanschlüsse LA bilden je nach deren Verbindungen mit den korrespondierenden Leistungsstromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters HS (bzw. der Leistungshalbleiterschalter) jeweils einen Versorgungsstromanschluss oder einen Phasenstromanschluss. Die Leistungsanschlüsse LA liegen auf dem Keramikträger KT auf und sind mit dem Keramikträger KT körperlich wie thermisch verbunden. Die Leistungsanschlüsse LA sind typischer Weise direkt oder indirekt (bspw. über einen Shunt) mit den Leistungsanschlüssen des Leistungshalbleiters HS bzw. der Leistungshalbleiter elektrisch verbunden. Ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. sind die Leistungshalbleiterschalter) als Silizium-IGBTs, gebildet, so sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit den Kollektor- oder Emitter-Anschlüssen der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt elektrisch verbunden. Ist der Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. sind die Leistungshalbleiterschalter) als Siliziumkarbid-MOSFETs, gebildet, so sind die Leistungsanschlüsse LA jeweils mit den Drain- oder Source-Anschlüssen der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter HS direkt elektrisch verbunden.

Die Steuer-Leiterplatte ST weist mindestens eine Ausnehmung AS auf, die sich durch die gesamte Dicke der Steuer-Leiterplatte ST hindurcherstreckt und ein randumschlossenes Durchgangsloch in der Steuer-Leiterplatte ST bildet. Dabei befindet die Ausnehmung AS in einer Längserstreckungsrichtung LR der Leistungsschaltung LS bzw. des Leistungsmoduls LM betrachtet auf der Höhe der Kontaktflächen KF1 und legt somit die Kontaktflächen KF1 frei.

Die Steuer-Leiterplatte ST weist ferner elektrische Kontaktflächen KF2 (bspw. in Form von bondbaren Signal-Pads) auf, die auf einer dem Leistungsmodul LM abgewandten Oberseite OS2 der Steuer-Leiterplatte ST und am Rand der Ausnehmung AS angeordnet sind. Die Kontaktflächen KF2 dienen analog zu den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM zur Herstellung von Steuersignal-führenden Kontaktierungen zwischen dem Leistungshalbleiterschalter HS (bzw. den Leistungshalbleiterschaltern) des Leistungsmoduls LM und der Steuerschaltung SS. Dabei bilden die Kontaktflächen KF2 Teil der Steuerschaltung SS.

Die Leistungsschaltung LS weist ferner Bondverbindungen BD als Stromverbindungen auf, die direkt durch die Ausnehmung AS hindurchgeführt sind und die jeweiligen Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST direkt mit den jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM elektrisch verbinden. Durch die räumliche Distanz und die elektrisch isolierende Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) zwischen den Bondverbindungen BD einerseits und den Leistungsanschlüssen LA andererseits sind die Bondverbindungen BD von den Leistungsanschlüssen LA bestens elektrisch isoliert. Entsprechend ist die Leistungsschaltung LS für (Betriebs-)Spannungen und Spannungsdifferenzen von 1000 Volt und darüber eingesetzt werden. Zur mechanischen Stabilisierung und / oder zur elektrischen Isolation der Bondverbindungen BD kann der Hohlraum der Ausnehmung AS mit einem entsprechend geeigneten Isolationsmaterial (wie z. B. Glob Top) überzogen werden.

Die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM schließen sich mit der Oberfläche der Moldmasse MM (bzw. Spritzmasse) der zur Steuer-Leiterplatte ST gewandten Oberseite OS1 des Schaltungsabschnitts AB flach ab. Dadurch sind keine zusätzlichen Dichtflächen am Moldwerkzeug benötigt.

Durch die direkte Führung der Bondverbindungen BD direkt durch die Ausnehmung AS lassen sich die Distanzen der Bondverbindungen BD je nach der Dicke der Steuer-Leiterplatte ST bis auf eine Länge von wenigen Millimetern reduzieren. Bonddrahtabstände von 1 Millimeter und darunter sind ebenfalls leicht zu realisieren. Entsprechend können Stromverbindungen mit einer parasitären Induktivität deutlich unterhalb von 5 nH (Nanohenry) realisiert werden.

Durch die Führung der Bondverbindungen BD direkt durch die Ausnehmung AS lassen sich auch vergleichsweise größere Fertigungs- und Platzierungstoleranzen zwischen den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einerseits und der darüber liegenden Steuer-Leiterplatte ST bzw. den Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST andererseits in einfacher Weise ausgleichen.

Die Herstellung der Leistungsschaltung LS erfolgt bspw. wie folgt:

Zuerst wird das Leistungsmodul LM bereitgestellt. Der Abschnitts AB des Leistungsmoduls LM wird umspritzt bzw. ummoldet. Dabei wird der Abschnitt AB des Leistungsmoduls LM derart umspritzt oder ummoldet, dass dieser auf der der im Anschluss zu platzierenden Steuer-Leiterplatte ST zugewandten Oberseite OS1 des Leistungsmoduls LM mindestens eine Kontaktfläche KF1 aufweist.

Danach wird die Steuer-Leiterplatte ST mit der Ausnehmung AS auf das Leistungsmodul LM platziert. Dabei wird die Steuer-Leiterplatte ST derart auf das Leistungsmodul LM angeordnet, dass die Ausnehmung AS die Kontaktfläche KF1 zumindest teilweise freilegt.

Anschließend wird die Kontaktfläche KF1 des Leistungsmoduls LM über mindestens eine direkte durch die Ausnehmung AS Bondverbindung BD mit mindestens einer Kontaktfläche KF2 der Steuer-Leiterplatte ST verbunden, die sich am Rand der Ausnehmung AS befindet. Figur 3 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die in Figur 3 dargestellte Leistungsschaltung LS unterscheidet sich von der in Figuren 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltung vor allem dadurch, dass der Schaltungsabschnitt AB einen Teilbereich in Form von einem Vorsprung VS (oder mehreren Vorsprüngen) aufweist, auf dem (bzw. auf denen) die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ragt der Vorsprung VS (ragen die Vorsprünge) gegenüber dem Rest des Abschnitts AB in Richtung zur Steuer-Leiterplatte ST hervor und durch die Ausnehmung AS der Steuer-Leiterplatte ST hindurch. Demzufolge liegen die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM abgewandten Oberseite OS2 bzw. der Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST.

Durch derartige Ausführung des Schaltungsabschnitts AB bzw. mit der Anhebung der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM auf die gleiche Bauhöhe der Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST lassen sich die Kontaktierungen der Bondverbindungen BD auf allen Bondpads bzw. allen Kontaktflächen KF1 , KF2 in der gleichen Höhe realisieren, was den Bondingprozess zusätzlich vereinfacht. Zudem lassen sich die Distanzen bzw. die Bonddraht-Längen der jeweiligen Bondverbindungen BD zusätzlich verkleinern, was wiederum positiv auf die parasitäre Induktivität wirkt.

Diese in Figur 3 dargestellte Ausführung ist besonders gut geeignet, wenn ein größerer Abstand zwischen dem Leistungsmodul LM und der Steuer-Leiterplatte ST benötigt wird, insb. wenn die Steuer-Leiterplatte ST beidseitig, also auch auf einer dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 ebenfalls bestückt ist und somit mit einem entsprechend größeren Abstand von dem Leistungsmodul LM beabstandet angeordnet werden muss.

Figur 4 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die in Figur 4 dargestellte Leistungsschaltung LS unterscheidet sich von der in Figuren 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltung vor allem dadurch, dass der Schaltungsabschnitt AB einen Teilbereich (oder mehre Teilbereiche) in Form von einer Vertiefung VT (bzw. von Vertiefungen) aufweist, in der (bzw. in denen) die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ist die Vertiefung VT (bzw. sind die Vertiefungen) in Form von einem randumschlossenen Sackloch geformt und weist die Kontaktflächen KF1 auf dem Boden des Sacklochs auf.

Durch derartige Ausführung des Schaltungsabschnitts AB bzw. mit der Vertiefung VT und der Anordnung der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM in der Vertiefung VT lassen sich sonstige Stromverbindungen als die in vorherigen Figuren 1 bis 3 dargestellten Bondverbindungen BD, wie z. B. Press-Fit-Verbindungen PF, bauraumsparend realisieren. Dabei können die Kontaktierungen der Press-Fit-Verbindungen PF auf die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM bspw. mittels Ultraschallschweißen, Löten oder Sintern hergestellt werden.

Zur Herstellung von zuverlässigen Press-Fit-Verbindungen können in den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM Press-Fit-Bereiche vorgesehen sein, die zur Abdichtung von der Mold- bzw. Spritzmasse ummoldet bzw. umspritzt sein können.

Alternativ zu den Press-Fit-Verbindungen können die Stromverbindungen mittels einer Steckverbindung mit einer leistungsmodul-seitigen Steckbuchse und einem steuer-leiterplatte-seitigen Stecker realisiert werden.

Figur 5 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungsschaltung LS gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die in Figur 5 dargestellte Leistungsschaltung LS ähnelt der in Figur 3 dargestellten Leistungsschaltung in Bezug auf den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM. Der Schaltungsabschnitt AB der in Figur 5 dargestellten Leistungsschaltung LS weist wie der in Figur 3 dargestellte Schaltungsabschnitt einen Teilbereich in Form von einem Vorsprung VS auf, auf dem die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM angeordnet sind. Dabei ragt der Vorsprung VS gegenüber dem Rest des Abschnitts AB in Richtung zur Steuer-Leiterplatte ST hervor und reicht bis zur dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST. Entsprechend befinden sich die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM (ungefähr) in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST. Als das Material der Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM wird in dieser Ausführungsform Kupfer verwendet.

Die Steuer-Leiterplatte ST weist Einlagen (auf Englisch „Inlays“) in Form von

Kupfer-Plättchen auf, die in die Steuer-Leiterplatte ST eingebettet sind und zumindest teilweise in die Ausnehmung AS hineinragen. Dabei weisen die Einlagen an den jeweiligen in die Ausnehmung AS hineinragenden Abschnitten entsprechende Kontaktflächen KF2 auf, die jeweils mit den jeweiligen Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM korrespondieren. Die Kontaktflächen KF2 der jeweiligen Einlagen und somit der Steuer-Leiterplatte ST befinden sich (ungefähr) in der gleichen Ebene wie die der dem Leistungsmodul LM gewandten Oberseite OS3 der Steuer-Leiterplatte ST und berühren somit mit den jeweiligen korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM. Zur Herstellung von stabilen niederohmigen Stromverbindungen zwischen den Kontaktflächen KF2 der Steuer-Leiterplatte ST einerseits und den korrespondierenden Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM sind diese paarweise miteinander lasergeschweißt. Die zur Laserschweißung erforderliche Laserlicht L wird beim Schweißvorgang durch die Ausnehmung AS in der Steuer-Leiterplatte ST hindurch bis zu jeweiligen Schweißpunkten auf den jeweiligen Einlagen bzw. den Kontaktflächen KF2 der jeweiligen Einlagen geführt. Fertigungstoleranzen zwischen dem Leistungsmodul LM bzw. den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einerseits und der Steuer-Leiterplatte ST bzw. den Steuer-Leiterplatte ST andererseits werden durch die Anwendung des „Limbo“-Laserschweißverfahrens ausgeglichen. Mit diesem Verfahren wird das Kupfermaterial der Einlagen definiert erhitzt, so dass eine vorbestimmte Menge vom Kupfer sich verflüssigt und auf die Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM (ebenfalls aus Kupfer) tritt und sich so mit den Kontaktflächen KF1 des Leistungsmoduls LM einstückig verbindet. Dadurch werden stabile, niederohmige und zugleich niederinduktive Stromverbindungen zwischen dem Leistungsmodul LM und der Steuer-Leiterplatte ST hergestellt.