DE102024201720A1

DE102024201720A1 - Power module with a circuit carrier

Info

Publication number: DE102024201720A1
Application number: DE102024201720.5A
Authority: DE
Inventors: Irfan Aydogmus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-02-26
Filing date: 2024-02-26
Publication date: 2025-08-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul (12) mit einem Schaltungsträger (14), der ein Trägersubstrat (40) und eine elektrische Isolationsschicht (16) umfasst, wobei der Schaltungsträger (14) eine erste Leiterstruktur (18) mit einem externen Kontaktbereich (18.2) und mindestens eine zweite Leiterstruktur (20A, 20B) mit mindestens einem externen Kontaktbereich (20A.2, 20B.2) und eine weitere, dritte Leiterstruktur (22), die mindestens einen externen Kontaktbereich (22.2) umfasst, aufweist, mit einzeln oder in Gruppen (64, 66) angeordneten Halbleiterbauelementen (42), wobei dem Leistungsmodul (12) ein Multifunktionsrahmen (50) mit einer Leiterplatte (122) zugeordnet ist, wobei die Gruppen (64, 66) von Halbleiterbauelementen (42) in einer ersten Ebene (60) angeordnet sind, die von einer zweiten Ebene (62) im Multifunktionsrahmen (50) räumlich getrennt ist, wobei die Leiterplatte (122) eine Anzahl von Stiften/Pins (146) umfasst, die in Hülsen (150) eingesteckt sind, die entweder mit einem Spacer (130) an einem Halbleiterbauelement (42) oder mit einem AMB-Substrat (134) stoffschlüssig gefügt sind. The present invention relates to a power module (12) with a circuit carrier (14) comprising a carrier substrate (40) and an electrical insulation layer (16), wherein the circuit carrier (14) has a first conductor structure (18) with an external contact region (18.2) and at least one second conductor structure (20A, 20B) with at least one external contact region (20A.2, 20B.2) and a further, third conductor structure (22) comprising at least one external contact region (22.2), with semiconductor components (42) arranged individually or in groups (64, 66), wherein the power module (12) is assigned a multifunctional frame (50) with a printed circuit board (122), wherein the groups (64, 66) of semiconductor components (42) are arranged in a first plane (60) which is spatially separated from a second plane (62) in the multifunctional frame (50), wherein the printed circuit board (122) comprising a number of pins (146) which are inserted into sleeves (150) which are materially joined either to a spacer (130) on a semiconductor component (42) or to an AMB substrate (134).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul mit einem ersten Schaltungsträger aus einem Trägersubstrat und einer ersten Leiterstruktur mit einem externen Kontaktbereich, mindestens einer zweiten Leiterstruktur mit mindestens einem externen Kontaktbereich und einer weiteren, dritten Leiterstruktur, die einen externen Kontaktbereich umfasst, ferner mit einer ersten Gruppe von Halbleiterbauelementen und einer zweiten Gruppe von Halbleiterbauelementen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.The invention relates to a power module comprising a first circuit carrier made of a carrier substrate and a first conductor structure with an external contact region, at least one second conductor structure with at least one external contact region, and a further, third conductor structure comprising an external contact region, further comprising a first group of semiconductor components and a second group of semiconductor components. Furthermore, the invention relates to a method for producing a power module.

Stand der TechnikState of the art

Im Stand der Technik werden Leistungsmodule, welche beispielsweise in einer Leistungsmodulbrücke verbaut sind, zusätzlich gemoldet. Beim Molden wird das Leistungsmodul in ein festes Schutzgehäuse, beispielsweise aus Kunststoff (Moldmasse), eingebettet. Die Moldmasse dient dazu, das Innere des Leistungsmoduls zu umhüllen und zu schützen. Diese Umhüllungen des Leistungsmoduls durch Moldmasse sind jedoch nicht besonders widerstandsfähig gegen Risse.In the current state of the art, power modules, for example, those installed in a power module bridge, are additionally molded. During molding, the power module is embedded in a rigid protective housing, for example, made of plastic (molding compound). The molding compound serves to enclose and protect the interior of the power module. However, these molding compound enclosures of the power module are not particularly resistant to cracking.

Aus der DE 10 2014 219 998 B4 ist ein Leistungsmodul insbesondere zur Bereitstellung eines Phasenstroms für einen Elektromotor bekannt. Das Leistungsmodul umfasst einen Schaltungsträger mit einer Oberfläche, zumindest zwei erste Kontaktflächen auf der Oberfläche und zumindest zwei erste Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist auf jeweils einer der ersten Kontaktflächen unmittelbar angeordnet und über seine Bodenkontaktfläche unmittelbar mit der jeweiligen ersten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Zudem umfasst das Leistungsmodul eine zweite Kontaktfläche auf der Oberfläche und zumindest zwei zweite Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren sind auf der zweiten Kontaktfläche unmittelbar angeordnet und über ihre jeweiligen Bodenkontaktflächen unmittelbar mit der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Des Weiteren umfasst das Leistungsmodul zumindest zwei dritte Kontaktflächen auf der Oberfläche, wobei die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche aufweisen und jeweils ein zweiter Leistungstransistor der zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren über seine weitere Kontaktfläche mit jeweils einer der zumindest zwei dritten Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden ist. Die zumindest zwei ersten Kontaktflächen und die zumindest zwei dritten Kontaktflächen sind in einer Längsrichtung des Leistungsmoduls alternierend nacheinander angeordnet und die zweite Kontaktfläche ist neben den zumindest zwei ersten Kontaktflächen und den zumindest zwei dritten Kontaktflächen angeordnet, wobei die zweite Kontaktfläche zumindest zwei Kontaktbereiche aufweist, wobei sich jeweils einer der zumindest zwei Kontaktbereiche neben jeweils einem der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren befindet. Die zumindest zwei ersten Leistungstransistoren weisen auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche auf und jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist über seine weitere Kontaktfläche mit dem jeweils einen sich neben ihm befindenden Kontaktbereich der zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Hierbei sind die zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche und die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren in der Längsrichtung alternierend nacheinander angeordnet.From the DE 10 2014 219 998 B4 A power module is known, in particular, for providing a phase current for an electric motor. The power module comprises a circuit carrier with a surface, at least two first contact surfaces on the surface, and at least two first power transistors, each of which has a ground contact surface. A first power transistor of the at least two first power transistors is arranged directly on one of the first contact surfaces and is electrically conductively connected to the respective first contact surface via its ground contact surface. In addition, the power module comprises a second contact surface on the surface and at least two second power transistors, each of which has a ground contact surface. The at least two second power transistors are arranged directly on the second contact surface and are electrically conductively connected to the second contact surface via their respective ground contact surfaces. Furthermore, the power module comprises at least two third contact areas on the surface, wherein the at least two second power transistors each have a further contact area on their sides facing away from the surface of the circuit carrier, and a second power transistor of the at least two second power transistors is electrically conductively connected to one of the at least two third contact areas via its further contact area. The at least two first contact areas and the at least two third contact areas are arranged alternately one after the other in a longitudinal direction of the power module, and the second contact area is arranged adjacent to the at least two first contact areas and the at least two third contact areas, wherein the second contact area has at least two contact regions, one of the at least two contact regions being located adjacent to each of the at least two first power transistors. The at least two first power transistors each have a further contact area on their sides facing away from the surface of the circuit carrier, and a first power transistor of the at least two first power transistors is electrically conductively connected to the adjacent contact region of the at least two contact regions of the second contact area via its further contact area. Here, the at least two contact regions of the second contact surface and the at least two second power transistors are arranged alternately one after the other in the longitudinal direction.

Aus EP 2 418 925 B1 ist eine elektrische Kontaktierung zwischen einer mindestens eine Leiterbahn aufweisenden Flexfolie und mindestens einem elektrischen Kontakt eines Sensor- oder eines Steuergerätes bekannt. Hierbei ist ein Endabschnitt der Flexfolie an einer Berührstelle durch Wärmeeintrag elektrisch kontaktiert, wobei der Endabschnitt der Flexfolie an der Berührstelle an vorstehend ausgebildete elektrische Kontakte angestellt ist. Der Endabschnitt der Flexfolie ist als Wellenschlag, insbesondere als Umlenkung ausgebildet.Out of EP 2 418 925 B1 An electrical contact between a flexible film having at least one conductor track and at least one electrical contact of a sensor or control device is known. In this case, an end section of the flexible film is electrically contacted at a contact point by heat input, with the end section of the flexible film at the contact point being positioned against protruding electrical contacts. The end section of the flexible film is designed as a wave pattern, in particular as a deflection.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul vorgeschlagen, mit einem Schaltungsträger, der ein Trägersubstrat und eine elektrische Isolationsschicht umfasst, wobei der Schaltungsträger eine erste Leiterstruktur mit einem externen Kontaktbereich und mindestens eine zweite Leiterstruktur mit mindestens einem externen Kontaktbereich und eine weitere, dritte Leiterstruktur, die mindestens einen externen Kontaktbereich umfasst, aufweist, mit einzeln oder in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelementen, wobei dem Leistungsmodul ein Multifunktionsrahmen mit einer Leiterplatte zugeordnet ist und die Gruppen von Halbleiterbauelementen in einer ersten Ebene angeordnet sind, die von einer zweiten Ebene im Multifunktionsrahmen räumlich getrennt ist. Die Leiterplatte umfasst eine Anzahl von Stiften/Pins, die in Hülsen eingesteckt sind, die entweder mit einem Spacer am Halbleiterbauelement oder einem AMB-Substrat stoffschlüssig gefügt sind.According to the invention, a power module is proposed, comprising a circuit carrier which comprises a carrier substrate and an electrical insulation layer, wherein the circuit carrier has a first conductor structure with an external contact region and at least one second conductor structure with at least one external contact region and a further, third conductor structure which comprises at least one external contact region, with semiconductor components arranged individually or in groups, wherein a multifunctional frame with a printed circuit board is assigned to the power module and the groups of semiconductor components are arranged in a first level which is spatially separated from a second level in the multifunctional frame. The printed circuit board comprises a number of pins which are inserted into sleeves which are materially joined either to a spacer on the semiconductor component or to an AMB substrate.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls sind die Halbleiterbauelemente auf einem Boden des Leistungsmoduls einzeln oder in Gruppen angeordnet.In a further advantageous embodiment of the power module proposed according to the invention, the semiconductor components are arranged individually or in groups on a base of the power module.

Des Weiteren ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Leistungsmodul derart beschaffen, dass das Leistungsmodul mit einer Kühlfläche entweder über eine Klebeverbindung, eine Lotverbindung oder eine Sinterverbindung verbunden ist. Durch die genannten Ausführungsvarianten der Verbindung zwischen Kühlfläche und Leistungsmodul kann eine flächige und effektive Wärmeübertragung erreicht werden.Furthermore, the power module proposed according to the invention is designed such that the power module is connected to a cooling surface either via an adhesive connection, a solder connection, or a sintered connection. These design variants of the connection between the cooling surface and the power module enable a flat and effective heat transfer.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls sind in den Multifunktionsrahmen eingespritzte Signalübertragungspins derart ausgeführt, dass diese in Hülsen eingepresst sind, die mit dem AMB-Substrat stoffschlüssig, insbesondere verschweißt werden. Die Signalübertragungspins können beispielsweise über Bondverbindungen mit NTCs oder dergleichen verbunden werden, so dass eine Erfassung der Temperatur des Leistungsmoduls bei dessen Betrieb möglich ist.In a further advantageous embodiment of the power module proposed according to the invention, signal transmission pins injected into the multifunctional frame are designed such that they are pressed into sleeves that are integrally bonded, in particular welded, to the AMB substrate. The signal transmission pins can be connected, for example, via bonding connections to NTCs or the like, so that the temperature of the power module can be measured during operation.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls ist die Leiterplatte mit dem Multifunktionsrahmen über die Stifte elektrisch verbunden.In a further advantageous embodiment of the power module proposed according to the invention, the circuit board is electrically connected to the multifunctional frame via the pins.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmodul ist vorgesehen, dass der Multifunktionsrahmen in Z-Richtung gesehen oberhalb oder unterhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist.In the power module proposed according to the invention, it is provided that the multifunctional frame is arranged above or below the power module as seen in the Z direction.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmodul ist vorgesehen, dass innerhalb des Multifunktionsrahmens stromführende Bauteile, insbesondere eine T+-Brücke und eine T- -Brücke übereinander- oder nebeneinanderliegend ausgebildet sind, derart, dass niederinduktive Anbindungen ausgebildet werden.In the power module proposed according to the invention, it is provided that current-carrying components, in particular a T+ bridge and a T- bridge, are formed one above the other or next to each other within the multifunctional frame in such a way that low-inductive connections are formed.

Beim Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieses und/oder der Multifunktionsrahmen von einer Moldmasse zumindest teilweise umschlossen.In the power module according to the present invention, this and/or the multifunctional frame is at least partially enclosed by a molding compound.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Leistungsmoduls in einem Inverter oder einer Leistungselektronik zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.Furthermore, the invention relates to the use of the power module in an inverter or power electronics for controlling an electric drive of an electrically powered vehicle.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich eine Trennung zwischen einer aktiven Fläche und einer Layoutfläche durch räumliche Separierung des Multifunktionsrahmens und des Leistungsmoduls erreichen. Die Stromführung wird auf einen in Z-Richtung oberhalb des Leistungsmoduls angeordneten Multifunktionsrahmen verlagert. Damit lassen sich die eingesetzten, einzeln oder in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelemente besser kühlen, da größere Abstände zwischen den beispielsweise in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelementen realisiert werden können. In vorteilhafter Weise sind die stromführenden Pfade, wie T+-Pfad und T- -Pfad im Multifunktionsrahmen übereinanderliegend oder nebeneinanderliegend ausgeführt, so dass sich eine niederinduktive Anbindung ergibt und die sich einstellenden Schaltverluste signifikant reduzieren lassen.In the solution proposed by the invention, a separation between an active area and a layout area can be achieved by spatially separating the multifunction frame and the power module. The current flow is shifted to a multifunction frame arranged above the power module in the Z direction. This allows for better cooling of the semiconductor components used, arranged individually or in groups, since larger distances can be achieved between the semiconductor components arranged, for example, in groups. Advantageously, the current-carrying paths, such as the T+ path and T- path, are arranged one above the other or next to one another in the multifunction frame, resulting in a low-inductance connection and significantly reducing the resulting switching losses.

Aufgrund des vorgeschlagenen Aufbaus des Leistungsmoduls lässt sich dessen Komplexität erheblich verringern, so dass für die Fertigung desselben deutlich weniger Prozessschritte erforderlich werden. Die Lebensdauer wird aufgrund der robusten Auslegung erhöht, da die Komplexität des Leistungsmoduls durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung deutlich reduziert wird.The proposed design of the power module allows its complexity to be significantly reduced, requiring significantly fewer process steps for its manufacture. The service life is increased due to the robust design, as the complexity of the power module is significantly reduced by the arrangement proposed by the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen ersten Schaltungsträger eines Leistungsmoduls aus einem Trägersubstrat und einer Anordnungsmöglichkeit von Halbleiterschaltern,
2 eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul mit voneinander getrennter Kühl- und Layoutfläche mit seitlich angeordneten Bereichen für Einpresspins,
3 eine Anordnung aus einem auf einer Kühlfläche aufgenommenen Leistungsmodul und in Z-Richtung darüberliegend angeordnetem Multifunktionsrahmen,
4 eine perspektivische Draufsicht auf eine Leiterplatte des Leistungsmoduls,
5 die Leiterplatte gemäß 4, hier vom transparent dargestellten Multifunktionsrahmen umschlossen,
6 die Draufsicht auf die in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelemente mit transparent oberhalb von diesen angedeuteter Leiterplatte,
7 eine Schnittdarstellung durch die Anordnung gemäß 5,
8.1 eine Ausführungsvariante einer Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Halbleiterbauelement,
8.2 eine Ausführungsvariante eines elektrischen Kontakts zwischen einer Leiterplatte und einem AMB-Substrat und
8.3 eine Ausführungsvariante eines Signalübertragungspins, der über eine Hülse mit einem AMB-Substrat elektrisch kontaktiert ist.

They show:

1 a plan view of a first circuit carrier of a power module comprising a carrier substrate and a possible arrangement of semiconductor switches,
2 a top view of a power module with separate cooling and layout areas with laterally arranged areas for press-in pins,
3 an arrangement of a power module mounted on a cooling surface and a multifunctional frame arranged above it in the Z direction,
4 a perspective top view of a circuit board of the power module,
5 the circuit board according to 4 , here enclosed by the transparent multifunctional frame,
6 the top view of the semiconductor components arranged in groups with a circuit board indicated transparently above them,
7 a sectional view through the arrangement according to 5 ,
8 .1 a variant of a contact between the printed circuit board and the semiconductor component,
8 .2 a variant of an electrical contact between a printed circuit board and an AMB substrate and
8 .3 a variant of a signal transmission pin which is electrically contacted with an AMB substrate via a sleeve.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by the same reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only schematically illustrate the subject matter of the invention.

1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul 12, insbesondere auf dessen ersten Schaltungsträger 14. 1 shows a plan view of a power module 12, in particular of its first circuit carrier 14.

Die Draufsicht gemäß 1 zeigt, dass ein Trägersubstrat 40 des ersten Schaltungsträgers 14 mit einer Anzahl von Leiterstrukturen 18, 20A, 20B, 22 versehen ist. Der erste Schaltungsträger 14 erstreckt sich in einer X,Y-Ebene 10, wobei der erste Schaltungsträger 14 mit einer elektrischen Isolationsschicht 16 versehen ist. Auf dieser befinden sich durch kanalförmige Unterbrechungen voneinander getrennt eine erste Leiterstruktur 18, die einen externen Kontaktbereich 18.2 aufweist. Ferner befinden sich symmetrisch zu einer Mittellängsachse 24 des Leistungsmoduls 12 zweite Leiterstrukturen 20A, 20B einander gegenüberliegend auf dem ersten Schaltungsträger 14. Jede der beiden zweiten Leiterstrukturen 20A, 20B umfasst einen externen Kontaktbereich 20A.2, 20B.2. Schließlich ist auf dem ersten Schaltungsträger 14 beziehungsweise auf dessen elektrischer Isolationsschicht 16 eine dritte Leiterstruktur 22 aufgebracht, die mindestens einen externen Kontaktbereich 22.2 aufweist.The top view according to 1 shows that a carrier substrate 40 of the first circuit carrier 14 is provided with a number of conductor structures 18, 20A, 20B, 22. The first circuit carrier 14 extends in an X,Y plane 10, wherein the first circuit carrier 14 is provided with an electrical insulation layer 16. On this, separated from one another by channel-shaped interruptions, there is a first conductor structure 18, which has an external contact region 18.2. Furthermore, symmetrically to a central longitudinal axis 24 of the power module 12, second conductor structures 20A, 20B are located opposite one another on the first circuit carrier 14. Each of the two second conductor structures 20A, 20B comprises an external contact region 20A.2, 20B.2. Finally, a third conductor structure 22 is applied to the first circuit carrier 14 or to its electrical insulation layer 16, which has at least one external contact area 22.2.

Die genannten Leiterstrukturen 18, 20A, 20B, 22 sind elektrisch voneinander getrennt und im Wesentlichen symmetrisch zur Mittellängsachse 24 auf dem ersten Schaltungsträger 14 aufgebracht. Mit Position 36 ist eine aktive Fläche bezeichnet, eine diese umschließende Layoutfläche für die Stromführung ist mit Bezugszeichen 38 bezeichnet. Als Trägersubstrat 40 des ersten Schaltungsträgers 14 kann zum Beispiel AMB (Active Metal Brazing) gewählt werden, welches OFC (oxygen-free copper)/Si₃N₄/OFC enthält.The aforementioned conductor structures 18, 20A, 20B, 22 are electrically separated from one another and applied to the first circuit carrier 14 essentially symmetrically to the central longitudinal axis 24. Position 36 designates an active area, and a layout area surrounding this area for conducting current is designated by reference numeral 38. For example, AMB (Active Metal Brazing), which contains OFC (oxygen-free copper)/ _Si3N4 /OFC, can be selected as the carrier substrate 40 of _the first circuit carrier 14.

Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 12 zu entnehmen, wobei in dieser schematischen Darstellung auf aktiven Flächen 36 Halbleiterbauelemente 42 angeordnet sind, bei denen es sich beispielsweise um Transistoren, MOSFETs oder andere Halbleiterbauelemente, die als Halbleiterschalter eingesetzt werden können, handeln kann. 2 ist zu entnehmen, dass auf den aktiven Flächen 36 einerseits eine erste Gruppe 64 von Halbleiterbauelementen 42 aufgenommen ist. Die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 können beispielsweise als MOSFETs ausgebildet sein und weisen an ihren äußeren Seiten Steueranschlüsse 34 auf, über welche eine nicht näher dargestellte Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauelemente 42 der ersten Gruppe 64 von Halbleiterbauelementen 42 erfolgen kann. Analog zur ersten Gruppe 64 ist eine zweite Gruppe 66 von Halbleiterbauelementen 42 angeordnet, bei denen es sich ebenfalls um MOSFETs handeln kann, an deren äußerem Bereich jeweils Steueranschlüsse 34 ausgebildet sind. Über die Steueranschlüsse 34 können die Halbleiterbauelemente 42 der zweiten Gruppe 66 von Halbleiterbauelementen 42 von außen her angesteuert werden, was jedoch in der Darstellung gemäß 2 nicht näher gezeigt ist.According to the illustration 2 1 shows a plan view of the power module 12, wherein in this schematic representation semiconductor components 42 are arranged on active surfaces 36, which may be, for example, transistors, MOSFETs or other semiconductor components that can be used as semiconductor switches. 2 It can be seen that on the active surfaces 36, on the one hand, a first group 64 of semiconductor components 42 is accommodated. The individual semiconductor components 42 can be designed, for example, as MOSFETs and have control terminals 34 on their outer sides, via which a control (not shown in detail) of the individual semiconductor components 42 of the first group 64 of semiconductor components 42 can be carried out. Analogous to the first group 64, a second group 66 of semiconductor components 42 is arranged, which can also be MOSFETs, on the outer region of which control terminals 34 are each formed. The semiconductor components 42 of the second group 66 of semiconductor components 42 can be controlled from the outside via the control terminals 34, although this is not shown in the illustration according to 2 is not shown in detail.

Des Weiteren ist der Draufsicht gemäß 2 zu entnehmen, dass in der in 2 dargestellten X,Y-Ebene 10 an den Längsseiten des ersten Schaltungsträgers 14 in Gestalt eines Trägersubstrats 40 Bereiche vorgesehen sind, in denen Einpresspins 76 - 94 in die Zeichenebene gemäß 2 hervorstehen. Im Einzelnen handelt es sich um erste und zweite Einpresspins 76, 78 sowie um dritte und vierte Einpresspins 80, 82 sowie einander gegenüberliegend angeordnet um fünfte und sechste Einpresspins 84, 86. Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite des ersten Schaltungsträgers 14 sind siebte und achte Einpresspins 88, 90 vorgesehen sowie neunte und zehnte Einpresspins 92, 94. Die räumliche Anordnung der Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 ist den Darstellungen gemäß 3 und 4 detaillierter zu entnehmen.Furthermore, the top view according to 2 It can be seen that in the 2 illustrated X,Y plane 10 on the long sides of the first circuit carrier 14 in the form of a carrier substrate 40 areas are provided in which press-in pins 76 - 94 are inserted into the plane of the drawing according to 2 protrude. In detail, these are first and second press-in pins 76, 78 as well as third and fourth press-in pins 80, 82 and, arranged opposite one another, fifth and sixth press-in pins 84, 86. In the area of the opposite end face of the first circuit carrier 14, seventh and eighth press-in pins 88, 90 are provided as well as ninth and tenth press-in pins 92, 94. The spatial arrangement of the press-in pins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 is shown in the illustrations according to 3 and 4 more detailed information.

Der Seitenansicht gemäß 3 ist zu entnehmen, dass ein hier von der Außenseite dargestelltes Leistungsmodul 12 mit seiner Unterseite 120 auf einer Kühlfläche 106 aufgenommen ist. In Z-Richtung 54 gesehen befindet sich oberhalb des Leistungsmoduls 12 ein Multifunktionsrahmen 50. An der Oberseite des in 3 von der Seite dargestellten Multifunktionsrahmens 50 stehen die einzelnen Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 - hier in einer Zeichenebene liegend - in vertikaler Richtung nach oben hervor. Über die Einpresspins 76-94 lassen sich die einzelnen Komponenten innerhalb des Multifunktionsrahmens 50 beziehungsweise des darunterliegend angeordneten Leistungsmoduls 12 auf robuste und einfache Art und Weise elektrisch kontaktieren.According to the side view 3 It can be seen that a power module 12, shown here from the outside, is mounted with its underside 120 on a cooling surface 106. Viewed in the Z direction 54, a multifunctional frame 50 is located above the power module 12. On the top side of the 3 In the side view of the multifunction frame 50, the individual press-in pins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 – here lying in the same plane of the drawing – protrude vertically upwards. The individual components within the multifunction frame 50 or the power module arranged underneath can be connected via the press-in pins 76-94. 12 in a robust and simple way to make electrical contact.

Der Darstellung gemäß 4 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsvariante des Leistungsmoduls 12 zu entnehmen.According to the illustration 4 is a perspective top view of a variant of the power module 12.

4 zeigt, dass eine Leiterplatte 122 (PCB) oberhalb eines Bodens 96 des Leistungsmoduls 12 angeordnet ist. Eine Unterseite 126 der Leiterplatte 122 weist einer Anzahl von Halbleiterbauelementen 42 zu, die am Boden 96 des Leistungsmoduls 12 unter Zwischenschaltung eines AMB-Substrats 134 angeordnet sind. Das AMB-Substrat 134 ist hinsichtlich seines Aufbaus in den 8.1, 8.2 und 8.3 detaillierter dargestellt. 4 shows that a printed circuit board 122 (PCB) is arranged above a base 96 of the power module 12. A bottom side 126 of the printed circuit board 122 has a number of semiconductor components 42 arranged on the base 96 of the power module 12 with an AMB substrate 134 interposed therebetween. The AMB substrate 134 is shown in its structure in the 8 .1, 8.2 and 8.3 are presented in more detail.

Die Unterseite 126 der Leiterplatte 122 kontaktiert die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 über domförmige Erhebungen, die sich zwischen der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 und beispielsweise Spacer-Scheiben 130, die oberhalb der Halbleiterbauelemente 42 ausgebildet sind, erstrecken.The underside 126 of the circuit board 122 contacts the individual semiconductor components 42 via dome-shaped elevations that extend between the underside 126 of the circuit board 122 and, for example, spacer disks 130 that are formed above the semiconductor components 42.

Der Darstellung gemäß 5 ist zu entnehmen, dass die Leiterplatte 122 in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist. Der Multifunktionsrahmen 50 stellt ein Kunststoffbauteil dar, welches die Leiterplatte 122 derart umschließt, dass diese in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist. In der Darstellung gemäß 5 ist der Multifunktionsrahmen 50 in einer transparenten Darstellung wiedergegeben.According to the illustration 5 It can be seen that the circuit board 122 is embedded in the multifunctional frame 50. The multifunctional frame 50 is a plastic component which encloses the circuit board 122 in such a way that it is embedded in the multifunctional frame 50. In the illustration according to 5 the multifunctional frame 50 is shown in a transparent representation.

Seitlich am Leistungsmodul 12 befinden sich verschiedene Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, über welche verschiedene Bereiche des Leistungsmoduls 12 elektrisch kontaktiert sind.On the side of the power module 12 there are various press-in pins 76, 78, 80, 82, 84, via which different areas of the power module 12 are electrically contacted.

Der Darstellung gemäß 6 ist eine weitere perspektivische Ansicht des Bodens 96 des Leistungsmoduls 12 zu entnehmen. In der Darstellung gemäß 6 ist die die Halbleiterbauelemente 42 gemäß 4 überdeckende Leiterplatte 122 als Umriss 136 dargestellt, d. h. in einer transparenten Darstellung wiedergegeben. Aus 6 geht hervor, dass die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 in besagten Gruppen 64, 66 in räumlichen Abständen zueinander nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 umfassen jeweils einen scheibenförmig oder rechteckförmig ausgebildeten Spacer 130. Vor jedem Spacer 130 befindet sich eine domförmige Erhebung, welche den elektrischen Kontakt zur Unterseite 126 der in 6 nur in Umrissen 136 dargestellten Leiterplatte 122 gemäß 4 herstellt. Des Weiteren zeigt 6 einen ersten domförmigen Anschluss 140 sowie einen diesem gegenüberliegenden, zweiten domförmigen Anschluss 142, über welche über das Leistungsmodul 12 beispielsweise ein elektrischer Antrieb angesteuert werden kann.According to the illustration 6 shows a further perspective view of the base 96 of the power module 12. In the illustration according to 6 is the semiconductor components 42 according to 4 covering circuit board 122 is shown as an outline 136, ie, reproduced in a transparent representation. 6 It can be seen that the individual semiconductor components 42 in said groups 64, 66 are arranged adjacent to one another at spatial distances from one another. The individual semiconductor components 42 each comprise a disk-shaped or rectangular spacer 130. In front of each spacer 130 there is a dome-shaped elevation, which provides electrical contact to the underside 126 of the 6 only in outline 136 shown circuit board 122 according to 4 Furthermore, 6 a first dome-shaped connection 140 and a second dome-shaped connection 142 opposite this, via which, for example, an electric drive can be controlled via the power module 12.

Mittig ausgehend vom Folienkondensatoranschluss 128 erstreckt sich ein weiterer, dritter domförmiger Anschluss 144, der ebenfalls die in 6 als Umriss 136 dargestellte Leiterplatte 122 an deren Unterseite 126 kontaktiert.A further, third dome-shaped connection 144 extends centrally from the film capacitor connection 128, which also 6 circuit board 122 shown as outline 136 is contacted on its underside 126.

Des Weiteren ist der perspektivischen Ansicht gemäß 6 zu entnehmen, dass beispielsweise ein NTC-Sensor 138 über drahtförmige Bondverbindungen 132 kontaktiert werden kann, so dass eine Temperaturmessung des Leistungsmoduls 12 und damit eine Temperaturüberwachung desselben möglich ist.Furthermore, according to the perspective view 6 It can be seen that, for example, an NTC sensor 138 can be contacted via wire-shaped bond connections 132, so that a temperature measurement of the power module 12 and thus a temperature monitoring of the same is possible.

Der Schnittdarstellung gemäß 7 ist zu entnehmen, dass sich von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 Kontaktstifte, zum Beispiel Stifte 146 erstrecken, die entweder mit dem AMB-Substrat 134 elektrisch kontaktiert sind oder über zwischengeschaltete Spacer-Scheiben 130 mit den Halbleiterbauelementen 42 kontaktiert sind, wie dies in den 8.1 und 8.2 detaillierter dargestellt ist.The sectional view according to 7 It can be seen that contact pins, for example pins 146, extend from the underside 126 of the printed circuit board 122, which are either electrically contacted with the AMB substrate 134 or are contacted with the semiconductor components 42 via interposed spacer disks 130, as shown in the 8 .1 and 8.2 are shown in more detail.

8.1 zeigt beispielsweise, dass ausgehend von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122, die in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist, sich ein Stift 146 in eine Hülse 150 erstreckt. In der Ausführungsvariante gemäß 8.1 ist die Hülse 150 auf der Oberseite der Spacer-Scheibe 130 stoffschlüssig gefügt, insbesondere verschweißt. Unterhalb der Hülse 150 und des Spacers 130 ist das zu kontaktierende Halbleiterbauelement 42 dargestellt, welches wiederum auf dem AMB-Substrat 134, zwei Kupferschichten und eine Keramikschicht umfassend, aufgebracht ist. Das AMB-Substrat 134 seinerseits ist über eine Lot-, Sinter- oder Klebeverbindung 148 mit besagter Kühlfläche 106 verbunden. 8 .1 shows, for example, that starting from the underside 126 of the printed circuit board 122, which is embedded in the multifunctional frame 50, a pin 146 extends into a sleeve 150. In the embodiment according to 8 .1, the sleeve 150 is integrally joined, in particular welded, to the top side of the spacer disk 130. Below the sleeve 150 and the spacer 130, the semiconductor component 42 to be contacted is shown, which in turn is applied to the AMB substrate 134, comprising two copper layers and a ceramic layer. The AMB substrate 134, in turn, is connected to the cooling surface 106 via a solder, sinter, or adhesive bond 148.

Während in der Darstellung gemäß 8.1 die elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements 42 dargestellt ist, kann über die in 8.2 dargestellte Ausführungsvariante die Leiterplatte 122 beziehungsweise ein von deren Unterseite 126 verlaufender Stift 146 auch mit dem AMB-Substrat 134 elektrisch verbunden werden. Dazu ist der von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 ausgehende Stift 146 in die Hülse 150 eingesteckt, die ihrerseits mittels einer Schweißverbindung auf der Oberseite des AMB-Substrats 134 stoffschlüssig gefügt ist.While in the illustration according to 8 .1 the electrical contacting of the semiconductor component 42 is shown, can be done via the 8 In the embodiment shown in Figure .2, the printed circuit board 122, or a pin 146 extending from its underside 126, can also be electrically connected to the AMB substrate 134. For this purpose, the pin 146 extending from the underside 126 of the printed circuit board 122 is inserted into the sleeve 150, which in turn is integrally joined to the top side of the AMB substrate 134 by means of a weld.

Mit den in den 8.1 und 8.2 dargestellten Ausführungsvarianten der Verbindung der Leiterplatte 122 mit dem Halbleiterbauelement 42 beziehungsweise mit dem AMB-Substrat 134 lassen sich somit die verschiedenen, in 6 dargestellten Bereiche im Boden 96 des Leistungsmoduls 12 elektrisch kontaktieren.With the 8 .1 and 8.2 of the connection of the printed circuit board 122 with the semiconductor component 42 or with the AMB substrate 134, the various 6 electrically contact the areas shown in the base 96 of the power module 12.

8.3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der ein Signalübertragungsstift 152 in den Multifunktionsrahmen 50 eingepresst ist. Der Signalübertragungsstift 152 ist in die Hülse 150 eingesteckt, die ihrerseits mit der Oberseite des AMB-Substrats 134 stoffschlüssig gefügt, insbesondere verschweißt wird. Das AMB-Substrat 134, zwei Kupferschichten und eine Keramikschicht umfassend, wird mittels der Lot-, Sinter- oder Klebverbindung 148 mit der Oberseite der Kühlfläche 106 verbunden. 8 .3 shows a variant in which a signal transmission pin 152 is integrated into the multi-radio tion frame 50 is pressed in. The signal transmission pin 152 is inserted into the sleeve 150, which in turn is joined, in particular welded, to the top side of the AMB substrate 134. The AMB substrate 134, comprising two copper layers and one ceramic layer, is connected to the top side of the cooling surface 106 by means of the solder, sinter, or adhesive connection 148.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, numerous modifications are possible within the scope of the claims, which are within the scope of one skilled in the art.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2014 219 998 B4 [0003]
EP 2 418 925 B1 [0004]

Claims

Power module (12) with a circuit carrier (14) comprising a carrier substrate (40) and an electrical insulation layer (16), wherein the circuit carrier (14) has a first conductor structure (18) with an external contact region (18.2) and at least one second conductor structure (20A, 20B) with at least one external contact region (20A.2, 20B.2) and a further, third conductor structure (22) comprising at least one external contact region (22.2), with semiconductor components (42) arranged individually or in groups (64, 66), characterized in that a multifunctional frame (50) with a printed circuit board (122) is assigned to the power module (12), wherein the groups (64, 66) of semiconductor components (42) are arranged in a first plane (60) which is spatially separated from a second plane (62) in the multifunctional frame (50), wherein the printed circuit board (122) has a number of Pins (146) which are inserted into sleeves (150) which are materially joined either to a spacer (130) on a semiconductor component (42) or to an AMB substrate (134).

Power module (12) according to Claim 1 , characterized in that the semiconductor components (42) are arranged individually or in groups (64, 66) on a base (96) of the power module (12).

Power module (12) according to Claims 1 or 2 , characterized in that the power module (12) is connected to a cooling surface (106) either via an adhesive connection, a solder connection or a sintered connection (148).

Power module (12) according to Claims 1 until 3 , characterized in that signal transmission pins (152) which are injected into the multifunctional frame (50) are pressed into sleeves (150) which are integrally connected, in particular welded, to the AMB substrate (134).

Power module (12) according to Claims 1 until 4 , characterized in that the printed circuit board (122) is electrically connected to the multifunctional frame (50) via the pins (146).

Power module (12) according to Claims 1 until 5 , characterized in that the multifunctional frame (50) is arranged above or below the power module (12) as seen in the Z direction (54).

Power module (12) according to Claims 1 until 6 , characterized in that in the multifunctional frame (50) current-carrying components, in particular a T+ bridge and a T- bridge, are formed one above the other or next to the other, such that a low-inductive connection is formed.

Power module (12) according to Claims 1 until 7 , characterized in that the power module (12) and/or the multifunctional frame (50) is/are at least partially enclosed by a molding compound (108).

Power module (12) according to Claims 1 until 8 , characterized in that signal transmission pins (152) are pressed into the multifunctional frame (50) and inserted into a sleeve (150) which is integrally joined, preferably welded, to an AMB substrate (134).

Use of the power module (12) according to one of the preceding claims in an inverter/power electronics for controlling an electric drive of an electrically powered vehicle.