DE102022212323A1 - Power electronics module, method for producing a power electronics module - Google Patents
Power electronics module, method for producing a power electronics module Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022212323A1 DE102022212323A1 DE102022212323.9A DE102022212323A DE102022212323A1 DE 102022212323 A1 DE102022212323 A1 DE 102022212323A1 DE 102022212323 A DE102022212323 A DE 102022212323A DE 102022212323 A1 DE102022212323 A1 DE 102022212323A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- semiconductor switching
- control lines
- power electronics
- electronics module
- control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 109
- 101100014507 Arabidopsis thaliana GDU1 gene Proteins 0.000 claims abstract description 10
- 101100014508 Arabidopsis thaliana GDU2 gene Proteins 0.000 claims abstract description 10
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 32
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 claims description 4
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 10
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 7
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 241001136792 Alle Species 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 210000002023 somite Anatomy 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
- H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
- H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/12—Modifications for increasing the maximum permissible switched current
- H03K17/122—Modifications for increasing the maximum permissible switched current in field-effect transistor switches
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
- H01R12/50—Fixed connections
- H01R12/59—Fixed connections for flexible printed circuits, flat or ribbon cables or like structures
- H01R12/62—Fixed connections for flexible printed circuits, flat or ribbon cables or like structures connecting to rigid printed circuits or like structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
- H01R12/50—Fixed connections
- H01R12/59—Fixed connections for flexible printed circuits, flat or ribbon cables or like structures
- H01R12/65—Fixed connections for flexible printed circuits, flat or ribbon cables or like structures characterised by the terminal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
- H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
- H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
- H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
- H01R43/0256—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections for soldering or welding connectors to a printed circuit board
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Offenbart wird ein Leistungselektronikmodul aufweisendeine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n), insb. von SiC-Halbleiterschaltern oder GaN-Halbleiterschaltern,eine Steuerschaltung (GDU1, GDU2) zum Ansteuern der Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n) undeine auf einer flexiblen Folie (11) gebildete Ansteuerleitungsstruktur (LS1, LS2) mit einer Mehrzahl von Ansteuerleitungen (12, 121, 122),wobei die Ansteuerleitungen (12, 121, 122) jeweils zumindest einen Teil von jeweiligen direkten elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits (GDU1, GDU2) und den jeweiligen Halbleiterschaltelementen (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n) andererseits bilden.Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungselektronikmoduls beschrieben.A power electronics module is disclosed, comprising a plurality of semiconductor switching elements (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n), in particular SiC semiconductor switches or GaN semiconductor switches, a control circuit (GDU1, GDU2) for controlling the plurality of semiconductor switching elements (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n) and a control line structure (LS1, LS2) formed on a flexible film (11) with a plurality of control lines (12, 121, 122), wherein the control lines (12, 121, 122) each form at least a part of respective direct electrical connections between the control circuit on the one hand (GDU1, GDU2) and the respective semiconductor switching elements (S, S11, S21, S12, S22, S1n, S2n) on the other hand. Furthermore, a method for producing a power electronics module is described.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Leistungselektronik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungselektronikmodul sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungselektronikmoduls. Ferner wird eine Verbindungsanordnung für ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt.The present invention relates to the technical field of power electronics. The present invention relates in particular to a power electronics module and a method for producing a power electronics module. Furthermore, a connection arrangement for a power electronics module is provided.
Im Bereich der Leistungselektronikmodule mit schaltbaren Leistungshalbleiterbauelementen werden Si-IGBT-Schalthalbleiterelemente zunehmend von deutlich schneller schaltenden und damit effizienteren WBG-Halbleitertechnologien wie SiC- und GaN-Feldeffekttransistoren ersetzt. Die maximalen Schaltgeschwindigkeit dieser Halbleiter liegen um den Faktor 10... 100 höher als die von Si-IGBT. Es lassen damit die Verluste sowohl auf Halbleiter- als auch auf Produktebene reduzieren sowie wichtige passive Bauteile deutlich verkleinern.In the area of power electronics modules with switchable power semiconductor components, Si-IGBT switching semiconductor elements are increasingly being replaced by significantly faster switching and thus more efficient WBG semiconductor technologies such as SiC and GaN field effect transistors. The maximum switching speed of these semiconductors is a factor of 10...100 higher than that of Si-IGBT. This allows losses to be reduced both at the semiconductor and product level and important passive components to be significantly reduced in size.
Um das Potential höherer Schaltgeschwindigkeiten der WBG-Halbleiter voll nutzen zu können, bedarf es, neben der Minimierung von störenden parasitären Induktivitäten im Lastkreis, auch Anpassungen im Bereich der Ansteuerschaltung und der Steuersignalführung zum Halbleiter. Stärkere Gate-Rückwirkungen in Folge der höheren Schaltgeschwindigkeiten, in Kombination mit den geringeren Schaltspannungsschwellen der WBG-Halbleiter am Gate, erfordern Ansteuerlösungen mit deutlich geringeren parasitären Induktivitäten im Ansteuerkreis.In order to fully exploit the potential of higher switching speeds of WBG semiconductors, in addition to minimizing disruptive parasitic inductances in the load circuit, adjustments to the control circuit and the control signal routing to the semiconductor are also required. Stronger gate feedback as a result of the higher switching speeds, in combination with the lower switching voltage thresholds of the WBG semiconductors at the gate, require control solutions with significantly lower parasitic inductances in the control circuit.
In herkömmlichen Leistungselektronikmodule werden parallel geschalteten Halbleiterschaltelemente häufig von einer Steuerschaltung (Gate Driver Unit - GDU) über eine zentrale Ansteuerleitung angesteuert, welche das Ansteuersignal an die Halbleiterschaltelemente verteilt. Die Signalführung entspricht somit einer Bus-Struktur.In conventional power electronics modules, parallel-connected semiconductor switching elements are often controlled by a control circuit (Gate Driver Unit - GDU) via a central control line, which distributes the control signal to the semiconductor switching elements. The signal routing thus corresponds to a bus structure.
Es hat sich als schwierig erwiesen, die Anforderungen hinsichtlich parasitärer Induktivitäten bei einer solchen Bus-Struktur zu erreichen. Während bei Si-IGBT Leistungselektronikmodulen parasitäre Induktivitäten im Gate-Ansteuerkreis von 20nH und mehr noch tolerierbar sind, so liegt der Maximalwert bei SiC- und GaN-Leistungshalbleitern bei typisch < 5nH pro Halbleiter. Erschwerend kommt hinzu, dass die Anforderungen an die maximal zulässige parasitäre Induktivität im Ansteuerkreis mit der Höhe des Gate-Stromes noch weiter steigen. D.h. je mehr Halbleiter zur Steigerung der Schaltleistung parallelgeschaltet werden und je schneller sie betrieben werden sollen, desto stärker muss der Maximalwert von 5nH noch unterschritten werden.It has proven difficult to meet the requirements regarding parasitic inductances in such a bus structure. While parasitic inductances in the gate control circuit of 20nH and more are still tolerable in Si-IGBT power electronic modules, the maximum value for SiC and GaN power semiconductors is typically < 5nH per semiconductor. To make matters worse, the requirements for the maximum permissible parasitic inductance in the control circuit increase even further with the level of the gate current. This means that the more semiconductors are connected in parallel to increase the switching power and the faster they are to be operated, the further the maximum value of 5nH must be undercut.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Probleme in Verbindung mit der Ansteuerung von Halbleiterschaltelementen zu überwinden.The present invention is based on the object of overcoming the above-mentioned problems in connection with the control of semiconductor switching elements.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungselektronikmodul beschrieben, das (a) eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen, insbesondere WBG-Halbleiterschaltelementen (WBG-Halbleiter: Halbleiter mit breitem Bandabstand, auf Englisch „Wide-Bandgap Semiconductor“), wie z. B. SiC- und GaN-Halbleiterschalter (SiC: Siliciumcarbid, GaN: Galliumnitrid) bzw. SiC- und GaN-Feldeffekttransistoren, (b) eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen und (c) eine auf einer flexiblen Folie gebildete Ansteuerleitungsstruktur mit einer Mehrzahl von Ansteuerleitungen aufweist, wobei (d) die Ansteuerleitungen jeweils zumindest einen Teil der jeweiligen direkten elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits und den jeweiligen Halbleiterschaltelementen andererseits bilden.According to a first aspect of the invention, a power electronics module is described which has (a) a plurality of semiconductor switching elements, in particular WBG semiconductor switching elements (WBG semiconductor: semiconductor with a wide band gap, in English “Wide-Bandgap Semiconductor”), such as SiC and GaN semiconductor switches (SiC: silicon carbide, GaN: gallium nitride) or SiC and GaN field effect transistors, (b) a control circuit for controlling the plurality of semiconductor switching elements and (c) a control line structure formed on a flexible film with a plurality of control lines, wherein (d) the control lines each form at least part of the respective direct electrical connections between the control circuit on the one hand and the respective semiconductor switching elements on the other hand.
Dem beschriebenen Leistungselektronikmodul liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ansteuerleitungsstruktur so aufgebaut ist, dass jedes einzelne Halbleiterschaltelement direkt mit der Steuerschaltung verbunden ist. Mit anderen Worten stellt jede einzelne Ansteuerleitung zumindest einen Teil einer direkten Verbindung zwischen der Steuerschaltung und einem Halbleiterschaltelement dar. Diese direkten Verbindungen über individuelle Ansteuerleitungen weisen in Vergleich mit zentralen (von mehreren Halbleiterschaltelementen geteilten) Ansteuerleitungen erheblich geringere parasitäre Induktivitäten auf.The described power electronics module is based on the knowledge that the control line structure is designed in such a way that each individual semiconductor switching element is directly connected to the control circuit. In other words, each individual control line represents at least part of a direct connection between the control circuit and a semiconductor switching element. These direct connections via individual control lines have significantly lower parasitic inductances compared to central control lines (shared by several semiconductor switching elements).
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Begriff „zumindest einen Teil einer direkten elektrischen Verbindung“, dass die Ansteuerleitung selbst eine direkte Verbindung zwischen der Steuerschaltung und einem Halbleiterschaltelement bildet, d.h. die direkte Verbindung besteht aus der Ansteuerleitung, oder dass sie nur einen Teil einer solchen direkten Verbindung bzw. eine indirekte Verbindung bildet. Mit anderen Worten kann jede Ansteuerleitung eine direkte Verbindung oder nur einen Teil einer direkten Verbindung zwischen der Steuerschaltung und einem der Halbleiterschaltelemente bilden. Im letztgenannten Falle kann die Ansteuerleitungsstruktur zum Beispiel mit einer weiteren Ansteuerleitungsstruktur über einen Steckverbinder verbunden sein, oder ein Gate-Widerstand kann in bzw. auf der flexiblen Folie integriert sein.In the context of the present application, the term "at least part of a direct electrical connection" means that the control line itself forms a direct connection between the control circuit and a semiconductor switching element, i.e. the direct connection consists of the control line, or that it forms only part of such a direct connection or an indirect connection. In other words, each control line can form a direct connection or only part of a direct connection between the control circuit and one of the semiconductor switching elements. In the latter case, the control line structure can be connected to another control line structure via a connector, for example, or a gate resistor can be integrated in or on the flexible film.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerleitungen (im Vergleich zueinander) derart ausgeführt bzw. geformt, dass die parasitären Induktivitäten aller Ansteuerleitungen im Wesentlichen gleich sind, und somit auch die parasitären Induktivitäten aller elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits und den jeweiligen Halbleiterschaltelementen andererseits im Wesentlichen gleich sind. Hierbei bzw. in diesem Text bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen“, dass die die parasitären Induktivitäten aller Ansteuerleitungen voneinander bzw. die parasitären Induktivitäten aller elektrischen Verbindungen voneinander eine maximale Abweichung von weniger als 10% oder besser weniger als 5% gar weniger als 2% oder weniger als 1 % aufweisen.According to one embodiment, the control lines are designed or shaped (in comparison to one another) in such a way that the parasitic inductances of all control lines are essentially the same, and thus the parasitic inductances of all electrical connections between the control circuit on the one hand and the respective semiconductor switching elements on the other hand are also essentially the same. Here or in this text, the term "essentially" means that the parasitic inductances of all control lines from one another or the parasitic inductances of all electrical connections from one another have a maximum deviation of less than 10% or better less than 5%, even less than 2% or less than 1%.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist jede Ansteuerleitung an ihrem dem jeweiligen Halbleiterschaltelement zugewandten Abschnitt bzw. Endabschnitt ein Kontaktelement auf, das mit einer oberseitigen elektrischen Anschlusskontaktfläche des jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelements (direkt) körperlich wie elektrisch verbunden ist oder auf dieser Anschlusskontaktfläche aufgeschweißt ist.According to a further embodiment, each control line has a contact element on its section or end section facing the respective semiconductor switching element, which is (directly) physically and electrically connected to an upper-side electrical connection contact surface of the respective corresponding semiconductor switching element or is welded onto this connection contact surface.
Mit anderen Worten weist jede Ansteuerleitung an dem jeweiligen Abschnitt bzw. Endabschnitt, der mit dem Halbleiterschaltelement gekoppelt ist bzw. diesem Halbleiterschaltelement zugewandt liegt bzw. sich auf oder über diesem Halbleiterschaltelement bzw. dessen entsprechenden Anschlusskontaktfläche befindet, ein elektrisch leitendes Kontaktelement auf, das direkt mit der Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements körperlich wie elektrisch verbunden ist, insb. auf der Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements aufgeschweißt ist, bspw. mittels Ultraschallschweißens oder alternativ mittels Laserschweißens.In other words, each control line has an electrically conductive contact element on the respective section or end section that is coupled to the semiconductor switching element or faces this semiconductor switching element or is located on or above this semiconductor switching element or its corresponding connection contact surface, which is directly physically and electrically connected to the connection contact surface of the semiconductor switching element, in particular is welded onto the connection contact surface of the semiconductor switching element, for example by means of ultrasonic welding or alternatively by means of laser welding.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Kontaktelement einen sich durch den Abschnitt der jeweiligen korrespondierenden Ansteuerleitung hindurcherstreckenden elektrisch leitenden Pin auf, der an seinem dem jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelement bzw. dessen Anschlusskontaktfläche zugewandten Ende eine auf der Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements aufliegende, insb. auf dieser Anschlusskontaktfläche aufgeschweißte, Kontaktfläche aufweist.According to a further embodiment, the contact element has an electrically conductive pin extending through the section of the respective corresponding control line, which has, at its end facing the respective corresponding semiconductor switching element or its connection contact surface, a contact surface resting on the connection contact surface of the semiconductor switching element, in particular welded onto this connection contact surface.
Mit anderen Worten weist das Kontaktelement einen Pin auf, der sich quer (d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der korrespondierenden Ansteuerleitung) durch den korrespondierenden Abschnitt bzw. Endabschnitt der Ansteuerleitung erstreckt. An einem Ende des Pins befindet sich eine elektrische Kontaktfläche, die mit der Anschlusskontaktfläche (direkt) körperlich wie elektrisch verbunden ist bzw. an der Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements angeschweißt ist. Die Kontaktfläche kann insb. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das restliche Kontaktelement kann auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einem anderen Material, wie z. B. Kupfer oder einer anderen Metalllegierung, wie z. B. einer Kupferlegierung, bestehen.In other words, the contact element has a pin that extends transversely (i.e. essentially perpendicular to the longitudinal direction of the corresponding control line) through the corresponding section or end section of the control line. At one end of the pin there is an electrical contact surface that is (directly) physically and electrically connected to the connection contact surface or is welded to the connection contact surface of the semiconductor switching element. The contact surface can consist in particular of aluminum or an aluminum alloy. The rest of the contact element can also consist of aluminum or an aluminum alloy or of another material, such as copper or another metal alloy, such as a copper alloy.
Diese direkte körperliche und elektrische Verbindung über einen elektrisch leitenden Pin, dessen Ende an dem Halbleiterschaltelement angeschweißt wird, ist einfach und platzsparend, und kann ohne zusätzliches Materialaufbau (wie z.B. in Verbindung mit Lot- oder Sinterverbindungen) erfolgen.This direct physical and electrical connection via an electrically conductive pin, the end of which is welded to the semiconductor switching element, is simple and space-saving, and can be made without additional material build-up (such as in connection with solder or sintered connections).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Pin an seinem anderen, dem jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelement und somit dem zuvor genannten Ende abgewandten Ende ein Zentrierelement zur Positionierung des Pins gegenüber dem jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelement auf.According to a further embodiment, the pin has a centering element for positioning the pin relative to the respective corresponding semiconductor switching element at its other end facing away from the respective corresponding semiconductor switching element and thus from the aforementioned end.
Das Zentrierelement erleichtert das Positionieren, Halten und Anschweißen des Kontaktelements an die Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements und kann insb. als einen stiftförmigen Vorsprung auf der Oberseite des Kontaktelements ausgebildet sein, der z. B. zur besseren Kontaktierung, Fixierung und Energieübertragung von einer Ultraschallsonotrode während eines Ultraschallschweißvorgangs beitragen kann.The centering element facilitates the positioning, holding and welding of the contact element to the connection contact surface of the semiconductor switching element and can in particular be designed as a pin-shaped projection on the top side of the contact element, which can, for example, contribute to better contacting, fixing and energy transfer from an ultrasonic sonotrode during an ultrasonic welding process.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerleitungsstruktur bzw. deren Ansteuerleitungen derart ausgeführt bzw. geformt, dass je länger die Leiterlänge derjenigen Ansteuerleitungen in deren jeweiligen Längsrichtung (gegenüber den anderen Ansteuerleitungen) ist, desto größer die Querschnittsfläche bzw. die Leitungsbreite derjenigen Ansteuerleitungen quer zu deren jeweiligen Längsrichtung (gegenüber den jeweiligen anderen Ansteuerleitungen) ist, so dass die parasitären Induktivitäten und/oder Gleichstromwiderstände aller Ansteuerleitungen derselben Ansteuerleitungsstruktur im Wesentlichen gleich sind. Mit anderen Worten: die längste Ansteuerleitung der Ansteuerleitungsstruktur weist die größte Querschnittsfläche bzw. die größte Leitungsbreite von allen Ansteuerleitungen der Ansteuerleitungsstruktur auf. Die zweitlängste Ansteuerleitung der Ansteuerleitungsstruktur weist die zweitgrößte Querschnittsfläche bzw. die zweitgrößte Leitungsbreite von allen Ansteuerleitungen der Ansteuerleitungsstruktur auf, usw. Entsprechend weist die kürzeste Ansteuerleitung der Ansteuerleitungsstruktur die kleinste Querschnittsfläche bzw. die kleinste Leitungsbreite von allen Ansteuerleitungen der Ansteuerleitungsstruktur auf.According to a further embodiment, the control line structure or its control lines are designed or shaped in such a way that the longer the conductor length of those control lines in their respective longitudinal direction (compared to the other control lines), the larger the cross-sectional area or the line width of those control lines transverse to their respective longitudinal direction (compared to the other control lines), so that the parasitic inductances and/or DC resistances of all control lines of the same control line structure are essentially the same. In other words: the longest control line of the control line structure has the largest cross-sectional area or the largest line width of all control lines of the control line structure. The second longest control line of the control line structure has the second largest cross-sectional area or the second largest line width of all control lines of the control line structure, etc. Accordingly, the shortest control line of the Control line structure has the smallest cross-sectional area or the smallest line width of all control lines in the control line structure.
Die parasitären Induktivitäten aller Ansteuerleitungen derselben Ansteuerleitungsstruktur weisen somit im Wesentlichen den gleichen Wert, der bevorzugt geringer als 5nH ist. Somit kann ein synchrones und schnelles Schalten erreicht werden.The parasitic inductances of all control lines of the same control line structure thus have essentially the same value, which is preferably less than 5 nH. This enables synchronous and fast switching to be achieved.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist jedes Halbleiterschaltelement zwei oberseitige elektrische Anschlusskontaktflächen auf, die durch ein entsprechendes Paar von Ansteuerleitungen jeweils direkt mit der Steuerschaltung elektrisch verbunden sind. Die zwei Anschlusskontaktflächen können insbesondere eine Gate-Anschlusskontaktfläche und eine Kelvin-Source-Anschlusskontaktfläche des Halbleiterschaltelements sein.According to a further embodiment, each semiconductor switching element has two top-side electrical connection contact areas, which are each electrically connected directly to the control circuit by a corresponding pair of control lines. The two connection contact areas can in particular be a gate connection contact area and a Kelvin-source connection contact area of the semiconductor switching element.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerleitungen zumindest eines Paares von Ansteuerleitungen flächig übereinander angeordnet und durch eine zwischen diesen beiden Ansteuerleitungen liegende elektrisch isolierende Isolierschicht miteinander körperlich verbunden und zugleich voneinander elektrisch getrennt.According to a further embodiment, the control lines of at least one pair of control lines are arranged flat one above the other and are physically connected to one another and at the same time electrically separated from one another by an electrically insulating layer lying between these two control lines.
Mit anderen Worten verlaufen die beiden Ansteuerleitungen eines Paares flächig in zwei verschiedenen Ebenen bzw. Schichten und sind durch eine Isolierschicht getrennt. Diese Anordnung der Ansteuerleitungen ist platzsparend und erlaubt einen besonders kompakten Aufbau, bei dem viele Paare von Ansteuerleitungen platzsparend nebeneinander verlaufen können. Derartige Anordnung ist zudem optimal im Hinblick auf Reduzierung von störenden parasitären Induktivitäten in den elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits und den zu steuernden Halbleiterschaltelementen andererseits.In other words, the two control lines of a pair run flat in two different planes or layers and are separated by an insulating layer. This arrangement of the control lines saves space and allows a particularly compact design in which many pairs of control lines can run next to each other in a space-saving manner. This type of arrangement is also optimal in terms of reducing disruptive parasitic inductances in the electrical connections between the control circuit on the one hand and the semiconductor switching elements to be controlled on the other.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerleitungen zumindest eines Paares von Ansteuerleitungen flächig nebeneinander angeordnet.According to a further embodiment, the control lines of at least one pair of control lines are arranged flat next to each other.
Dieser Aufbau der Ansteuerleitungsstruktur ist vergleichsweise materialsparend, indem die Ansteuerleitungen in einer einzigen Ebene ohne weitere Schichten angebracht werden können, und somit kostengünstig.This design of the control line structure is comparatively material-saving, as the control lines can be installed in a single plane without additional layers, and is therefore cost-effective.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Leiterbreite und/oder die Leiterlänge und/oder die Leiterdicke und/oder der Leiterabstand für jedes Paar von Ansteuerleitungen so angepasst, dass die parasitären Induktivitäten und/oder Gleichstromwiderstände aller Ansteuerleitungen im Wesentlichen gleich sind.According to a further embodiment, the conductor width and/or the conductor length and/or the conductor thickness and/or the conductor spacing for each pair of control lines are adjusted such that the parasitic inductances and/or DC resistances of all control lines are substantially equal.
Die parasitäre Induktivität L (in nH) zweier übereinander angeordneter, flachen Leiter lässt sich mit der folgenden Formel näherungsweise berechnen:
Hieraus ergibt sich z.B., dass längere Ansteuerleitungen die gleiche parasitäre Induktivität wie kürzere Ansteuerleitungen aufweisen können, wenn sie zumindest Abschnittsweise etwas breiter gestaltet werden.This means, for example, that longer control lines can have the same parasitic inductance as shorter control lines if they are made somewhat wider, at least in sections.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine weitere flexible (insb. elektrisch isolierende und/oder mechanisch widerstandsfähige) Folie über der Ansteuerleitungsstruktur angebracht, die die Ansteuerleitungsstruktur von elektrischen und/oder elektromagnetischen und/oder mechanischen Störungen schützt.According to a further embodiment, a further flexible (in particular electrically insulating and/or mechanically resistant) film is applied over the control line structure, which protects the control line structure from electrical and/or electromagnetic and/or mechanical interference.
Die weitere flexible Folie schützt die Ansteuerleitungsstruktur und stellt insb. auch eine elektrische Isolierschicht dar.The additional flexible film protects the control line structure and also represents an electrical insulating layer.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Leistungselektronikmodul ferner eine untere elektrisch leitende EMV-Abschirmschicht unter der Ansteuerleitungsstruktur und/oder eine obere elektrisch leitende EMV-Abschirmschicht auf der Ansteuerleitungsstruktur auf, die mit der Ansteuerleitungsstruktur körperlich verbunden und zugleich von der Ansteuerleitungsstruktur bzw. von deren Ansteuerleitungen elektrisch isoliert sind und eingerichtet sind, die Ansteuerleitungsstruktur bzw. deren Ansteuerleitungen elektromagnetisch abzuschirmen.According to a further embodiment, the power electronics module further comprises a lower electrically conductive EMC shielding layer under the control line structure and/or an upper electrically conductive EMC shielding layer on the control line structure, which are physically connected to the control line structure and at the same time are electrically insulated from the control line structure or from its control lines and are configured to electromagnetically shield the control line structure or its control lines.
Die untere und/oder obere elektrisch leitende Abschirmschicht verbessern/verbessert zusätzlich die EMV-Eigenschaften (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) des Leistungselektronikmoduls.The lower and/or upper electrically conductive shielding layer additionally improves the EMC properties (EMC = electromagnetic compatibility) of the power electronics module.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Leistungselektronikmodul ferner eine untere elektrische Isolationsschicht, die die Ansteuerleitungsstruktur mit der unteren Abschirmschicht körperlich verbindet und zugleich von der unteren Abschirmschicht elektrisch isoliert, und/oder eine obere elektrische Isolationsschicht auf, die die Ansteuerleitungsstruktur mit der oberen Abschirmschicht körperlich verbindet und zugleich von der oberen Abschirmschicht elektrisch isoliert.According to a further embodiment, the power electronics module further comprises a lower electrical insulation layer which physically connects the control line structure to the lower shielding layer and at the same time electrically insulates it from the lower shielding layer, and/or an upper electrical insulation layer which physically connects the control line structure to the upper shielding layer and at the same time electrically insulates it from the upper shielding layer.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die untere Abschirmschicht in der unteren Isolierschicht eingebettet oder von der der unteren Isolierschicht umschlossen, und/oder die obere Abschirmschicht in der oberen Isolierschicht eingebettet oder von der der oberen Isolierschicht umschlossen.According to a further embodiment, the lower shielding layer is in the lower insulation layer embedded in or enclosed by the lower insulating layer, and/or the upper shielding layer embedded in or enclosed by the upper insulating layer.
Das EMV-Abschirmschichten in die jeweiligen Isolierschichten schützen die Umgebung und das Leistungselektronikmodul vor den elektromagnetischen Störungen erzeugt durch die in der Ansteuerleitungsstruktur bzw. durch deren Ansteuerleitungen fließenden Ströme.The EMC shielding layers in the respective insulating layers protect the environment and the power electronics module from the electromagnetic interference generated by the currents flowing in the control line structure or through its control lines.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die untere und/oder obere Abschirmschicht an elektrische Masse gekoppelt bzw. elektrisch angeschlossen. According to a further embodiment, the lower and/or upper shielding layer are coupled or electrically connected to electrical ground.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungselektronikmoduls beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist Folgendes auf: (a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen, insb. von SiC-Halbleiterschaltern oder GaN-Halbleiterschaltern, (b) Bereitstellen einer Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen, (c) Bereitstellen einer auf einer flexiblen Folie gebildeten Ansteuerleitungsstruktur mit einer Mehrzahl von Ansteuerleitungen, (d) Bilden von direkten elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits und den jeweiligen Halbleiterschaltelementen andererseits über die jeweiligen Ansteuerleitungen, wobei die Ansteuerleitungen jeweils zumindest einen Teil der jeweiligen direkten elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerschaltung einerseits und den jeweiligen Halbleiterschaltelementen andererseits bilden.According to a second aspect of the invention, a method for producing a power electronics module is described. The described method comprises the following: (a) providing a plurality of semiconductor switching elements, in particular SiC semiconductor switches or GaN semiconductor switches, (b) providing a control circuit for controlling the plurality of semiconductor switching elements, (c) providing a control line structure formed on a flexible film with a plurality of control lines, (d) forming direct electrical connections between the control circuit on the one hand and the respective semiconductor switching elements on the other hand via the respective control lines, wherein the control lines each form at least part of the respective direct electrical connections between the control circuit on the one hand and the respective semiconductor switching elements on the other hand.
Das beschriebene Verfahren basiert im Wesentlichen auf der gleichen Idee wie das oben beschriebene Leistungselektronikmodul gemäß dem ersten Aspekt und stellt insb. ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungselektronikmoduls bereit, indem jedes einzelne Halbleiterschaltelement über eine entsprechende Ansteuerleitung direkt mit der Steuerschaltung verbunden wird.The described method is essentially based on the same idea as the power electronics module described above according to the first aspect and in particular provides a method for producing such a power electronics module by connecting each individual semiconductor switching element directly to the control circuit via a corresponding control line.
Bspw. werden die Ansteuerleitungen derart ausgeführt bzw. geformt werden, dass die parasitären Induktivitäten aller Ansteuerleitungen im Wesentlichen gleich sein werden.For example, the control lines will be designed or shaped in such a way that the parasitic inductances of all control lines will be essentially the same.
Bspw. werden die Ansteuerleitungen an ihrem dem jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelement zugewandten Ende mit jeweils einem Kontaktelement versehen. Die Kontaktelemente der jeweiligen Ansteuerleitungen werden dann jeweils mit einer oberseitigen Anschlusskontaktfläche der jeweiligen korrespondierenden Halbleiterschaltelemente körperlich wie elektrisch verbunden oder auf dieser Anschlusskontaktfläche aufgeschweißt.For example, the control lines are each provided with a contact element at their end facing the respective corresponding semiconductor switching element. The contact elements of the respective control lines are then physically and electrically connected to a top-side connection contact surface of the respective corresponding semiconductor switching elements or welded onto this connection contact surface.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verbindungsanordnung für ein Leistungselektronikmodul beschrieben, wobei das Leistungselektronikmodul eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen, insbesondere WBG-Halbleiterschaltelementen, und eine Steuerschaltung zum Ansteuern der Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen aufweist. Die beschriebene Verbindungsanordnung weist (a) eine auf einer flexiblen Folie gebildete Ansteuerleitungsstruktur mit einer Mehrzahl von Ansteuerleitungen auf, wobei (b) jede Ansteuerleitung zum Bilden zumindest eines Teils einer direkten Verbindung zwischen der Steuerschaltung und einem einzelnen der Halbleiterschaltelemente eingerichtet ist, und wobei (c) die parasitären Induktivitäten aller Ansteuerleitungen im Wesentlichen gleich sind.According to a third aspect of the invention, a connection arrangement for a power electronics module is described, wherein the power electronics module has a plurality of semiconductor switching elements, in particular WBG semiconductor switching elements, and a control circuit for controlling the plurality of semiconductor switching elements. The connection arrangement described has (a) a control line structure formed on a flexible film with a plurality of control lines, wherein (b) each control line is designed to form at least part of a direct connection between the control circuit and an individual one of the semiconductor switching elements, and wherein (c) the parasitic inductances of all control lines are substantially the same.
Die Verbindungsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann insbesondere in einem Leistungselektronikmodul gemäß dem ersten Aspekt verwendet werden.The connection arrangement according to the third aspect can be used in particular in a power electronics module according to the first aspect.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It is noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. In particular, some embodiments of the invention are described with method claims and other embodiments of the invention are described with apparatus claims. However, it will immediately become clear to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to one type of subject matter, any combination of features belonging to different types of subject matter is also possible.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 zeigt ein Leistungselektronikmodul mit gemeinsamen Ansteuerleitungen gemäß dem Stand der Technik. -
2 zeigt ein Leistungselektronikmodul mit individuellen Ansteuerleitungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
3 zeigt eine Verbindung zwischen Ansteuerleitung und Halbleiterschaltelement über ein Kontaktelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
4 zeigt drei verschiedene Ausführungen eines Kontaktelements gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. -
5 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Paares von Ansteuerleitungen mit Kontaktelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
6 zeigt Ansteuerleitungen mit variierender Breite gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
7 zeigt verschiedene Anordnungen von Ansteuerleitungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. -
8 zeigt ein beschichtetes Kontaktelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
9 zeigt verschiedene Ausführungen von Kontaktelementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. -
10 zeigt eine Ansteuerleitungsstruktur mit EMV-Abschirmen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 shows a power electronics module with common control lines according to the state of the art. -
2 shows a power electronics module with individual control lines according to an embodiment of the present invention. -
3 shows a connection between control line and semiconductor switching element via a contact element according to an embodiment of the present invention. -
4 shows three different designs of a contact element according to embodiments of the present invention. -
5 shows a top view and a side view of a pair of control lines with Contact elements according to an embodiment of the present invention. -
6 shows drive lines with varying width according to an embodiment of the present invention. -
7 shows various arrangements of drive lines according to embodiments of the present invention. -
8th shows a coated contact element according to an embodiment of the present invention. -
9 shows various designs of contact elements according to embodiments of the present invention. -
10 shows a drive line structure with EMC shields according to an embodiment of the present invention.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.It should be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention.
Die
Die
Die Ansteuerleitungsanordnung LS1, LS2 mit einer individuellen Verbindung zwischen jedem Steueranschluss (bzw. Steueranschlusskontaktfläche) der Halbleiterschaltelemente S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n und dem jeweiligen Steuermodul GDU1, GDU2 reduziert die parasitären Induktivitäten erheblich und ermöglicht somit ein schnelleres und präziseres Schalten der Halbleiterschaltelemente S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befasst sich insbesondere damit, wie die vielen Ansteuerleitungen LS1, LS2 vorteilhaft auf einer flexiblen Folie (als sogenannten Flexfolienleiter) angeordnet und über einfache Kontaktelemente direkt mit den Halbleiterschaltelementen S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n verbunden werden können.The control line arrangement LS1, LS2 with an individual connection between each control connection (or control connection contact surface) of the semiconductor switching elements S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n and the respective control module GDU1, GDU2 reduces the parasitic inductances considerably and thus enables faster and more precise switching of the semiconductor switching elements S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n. The embodiments of the present invention described below deal in particular with how the many control lines LS1, LS2 can be advantageously arranged on a flexible film (as a so-called flex film conductor) and connected directly to the semiconductor switching elements S11, S21, S12, S22, ... S1n, S2n via simple contact elements.
Die
Die
Die
Die parasitäre Induktivität L (in nH) der flächigen Leiter 121, 122 beträgt näherungsweise:
Die
Die
Die
Die
Die
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen eine Reihe von Verteilen auf:
- 1) Direkte Anbindung von Flex-Leitern an die Gate- und Kelvin-Source-Anschlüsse von Leistungshalbleiterschaltelemente. Die Verbindung erfolgt ohne zusätzliche Löt- oder Sinterschichten direkt über eine Ultraschall-Verschweißung oder Laser-Schweißung des Anschlusspins, der sich am Flex-Leiter befindet, mit dem Halbleiter. Es lassen sich so zusätzliche Löt- und Sinterprozesse am Gate-Anschluss vermeiden und damit Kosten sparen.
- 2) Durch die direkte Verbindung der Flex-Folie mit dem Halbleiter lässt sich auch die parasitäre Induktivität im Anschlussbereich auf ein Minimum reduzieren. Damit lassen sich die Vorteile von Flex-Leitern (der niedrige Induktivitätsbelag) erst voll nutzen und die für sehr schnell schaltende Halbleiter notwendige geringe parasitäre Induktivität im Ansteuerkreis erreichen.
- 3) Ein weiterer Vorteil ist der sehr geringe Bauraumbedarf für die Signalführung über den Flex-Leiter und die Kontaktierung am Gate. Auf dem (teuren) Substrat werden keine Bond-Landeflächen oder ähnliches benötigt. Selbst bei Leistungselektronikmodulen mit zehn oder mehr parallel geschalteten Halbleitern pro Schalter ist es möglich, alle Gate- und Kelvin-Source-Anschlüsse einzeln und getrennt über nur eine Flex-Folie zur Gate-Ansteuerschaltung zu führen. Diese führt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte im Leistungselektronikmodul.
- 4) Durch die getrennte Gate-Signalführung zu den Halbleitern und den geringen Induktivitätsbelag der Flex-Folie kann die Gate-Ansteuerschaltung räumlich weiter entfernt platziert werden. Eine räumlich dichte Integration von Halbleitern und Ansteuerschaltung ist nicht notwendig. Hierdurch ergeben sich Package-Vorteile sowohl beim Leistungselektronikmodul als auch im Gesamtaufbau des Produktes.
- 5) Durch Anpassung der Leiter-Geometrien in der Flex-Folie lassen sich die elektrischen Eigenschaften (Widerstand und parasitäre Induktivitäten) aller Ansteuerleitungen symmetrieren und so die Voraussetzungen für eine zeitgleiches Schalten der Halbleiter gewährleisten.
- 6) Alle Signale, welche vom Leistungselektronikmodul benötigt werden, lassen sich mit dieser Verbindungstechnik erfassen und nach außen führen, somit fallen weitere Verbindungstechniken direkt am Leistungselektronikmodul weg.
- 7) Die notwendigen Spannungsabstände zwischen verschiedenen Potentialen sind im Flexleiter geringer als außerhalb davon. Somit lassen sich kompaktere Module aufbauen.
- 1) Direct connection of flexible conductors to the gate and Kelvin source connections of power semiconductor switching elements. The connection is made directly to the semiconductor via ultrasonic welding or laser welding of the connection pin on the flexible conductor without additional soldering or sintering layers. This avoids additional soldering and sintering processes on the gate connection and thus saves costs.
- 2) The direct connection of the flexible foil to the semiconductor also allows the parasitic inductance in the connection area to be reduced to a minimum. This allows the advantages of flexible conductors (the low inductance per unit area) to be fully exploited and the low parasitic inductance in the control circuit required for very fast switching semiconductors to be achieved.
- 3) Another advantage is the very small installation space required for signal routing via the flexible conductor and contacting at the gate. No bonding pads or similar are required on the (expensive) substrate. Even with power electronics modules with ten or more semiconductors connected in parallel per switch, it is possible to route all gate and Kelvin source connections individually and separately to the gate control circuit via just one flexible foil. This leads to an increase in the power density in the power electronics module.
- 4) Due to the separate gate signal routing to the semiconductors and the low inductance of the flex film, the gate control circuit can be placed further away. A spatially dense integration of semiconductors and control circuit is not necessary. This results in packaging advantages both in the power electronics module and in the overall structure of the product.
- 5) By adapting the conductor geometries in the flex foil, the electrical properties (resistance and parasitic inductances) of all control lines can be symmetrical and thus the conditions for simultaneous switching of the semiconductors can be ensured.
- 6) All signals required by the power electronics module can be captured and routed to the outside using this connection technology, thus eliminating the need for additional connection technologies directly on the power electronics module.
- 7) The necessary voltage gaps between different potentials are smaller in the flexible conductor than outside of it. This allows more compact modules to be constructed.
Claims (17)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022212323.9A DE102022212323A1 (en) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | Power electronics module, method for producing a power electronics module |
PCT/EP2023/082072 WO2024105172A1 (en) | 2022-11-18 | 2023-11-16 | Power electronics module, method for producing a power electronics module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022212323.9A DE102022212323A1 (en) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | Power electronics module, method for producing a power electronics module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022212323A1 true DE102022212323A1 (en) | 2024-05-23 |
Family
ID=88863406
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022212323.9A Pending DE102022212323A1 (en) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | Power electronics module, method for producing a power electronics module |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022212323A1 (en) |
WO (1) | WO2024105172A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10355925A1 (en) | 2003-11-29 | 2005-06-30 | Semikron Elektronik Gmbh | Power semiconductor module and method of its manufacture |
DE102015121680A1 (en) | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Infineon Technologies Ag | POWER SUB-MODULE MODULE THAT HAS A FLEXIBLE PCB CONNECTION WITH A LOW GATE DRIVER INDUCTIVITY |
DE102015115271A1 (en) | 2015-09-10 | 2017-03-16 | Infineon Technologies Ag | ELECTRONIC ASSEMBLY WITH EMPTYING CAPACITORS |
DE102019112477A1 (en) | 2019-05-13 | 2020-11-19 | Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg | Power semiconductor component with a contact device |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5659663B2 (en) * | 2010-09-28 | 2015-01-28 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device |
JP5559265B2 (en) * | 2012-07-30 | 2014-07-23 | ファナック株式会社 | Power conversion device in which switching elements are connected in parallel and driven in parallel |
DE102014217927A1 (en) * | 2014-09-08 | 2016-03-10 | Robert Bosch Gmbh | Method for solderless electrical press-in contacting of electrically conductive press-fit pins in printed circuit boards |
US11715679B2 (en) * | 2019-10-09 | 2023-08-01 | Texas Instruments Incorporated | Power stage package including flexible circuit and stacked die |
-
2022
- 2022-11-18 DE DE102022212323.9A patent/DE102022212323A1/en active Pending
-
2023
- 2023-11-16 WO PCT/EP2023/082072 patent/WO2024105172A1/en unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10355925A1 (en) | 2003-11-29 | 2005-06-30 | Semikron Elektronik Gmbh | Power semiconductor module and method of its manufacture |
DE102015121680A1 (en) | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Infineon Technologies Ag | POWER SUB-MODULE MODULE THAT HAS A FLEXIBLE PCB CONNECTION WITH A LOW GATE DRIVER INDUCTIVITY |
DE102015115271A1 (en) | 2015-09-10 | 2017-03-16 | Infineon Technologies Ag | ELECTRONIC ASSEMBLY WITH EMPTYING CAPACITORS |
DE102019112477A1 (en) | 2019-05-13 | 2020-11-19 | Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg | Power semiconductor component with a contact device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024105172A1 (en) | 2024-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE4301915C2 (en) | Multi-chip semiconductor device | |
DE69226398T2 (en) | Semiconductor chip packaging | |
DE102013219833B4 (en) | SEMICONDUCTOR MODULE WITH CIRCUIT BOARD AND METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR MODULE WITH A CIRCUIT BOARD | |
DE3686990T2 (en) | METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT WHILE A FILM CARRIER TAPE IS APPLIED. | |
DE10238037B4 (en) | Semiconductor device with housing and holder | |
DE19755954B4 (en) | Leadframe structure, this semiconductor device using and manufacturing method thereof | |
DE112015005217B4 (en) | Semiconductor device and electronic component using them | |
DE2542518B2 (en) | POWER SUPPLY SYSTEM FOR HIGHLY INTEGRATED SEMICONDUCTOR CIRCUITS | |
DE102019112935B4 (en) | Semiconductor module | |
DE19928788A1 (en) | Ceramic electronic component such as a laminated ceramic capacitor | |
DE102015115805B4 (en) | ELECTRONIC COMPONENT AND METHOD OF MANUFACTURING AN ELECTRONIC COMPONENT | |
DE69737320T2 (en) | Semiconductor device | |
DE102018212438A1 (en) | SEMICONDUCTOR HOUSING WITH ELECTROMAGNETIC SHIELDING STRUCTURE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF | |
WO2005091366A2 (en) | Semiconductor module comprising a coupling substrate and associated production method | |
DE112016007562B4 (en) | semiconductor device | |
DE112021002909T5 (en) | SEMICONDUCTOR COMPONENT | |
DE10153666B4 (en) | High density contact assembly and method of arranging contacts | |
DE69321276T2 (en) | Semiconductor arrangement with a conductor grid | |
DE69716081T2 (en) | RF POWER COMPONENT WITH DOUBLE EARTHING | |
DE102005041174A1 (en) | Power semiconductor device with cables within a housing | |
DE69728648T2 (en) | SEMICONDUCTOR DEVICE WITH HIGH FREQUENCY BIPOLAR TRANSISTOR ON AN INSULATING SUBSTRATE | |
DE3930858C2 (en) | module Design | |
DE102019112934A1 (en) | Semiconductor module | |
DE102014104013A1 (en) | Power semiconductor device | |
DE102022212323A1 (en) | Power electronics module, method for producing a power electronics module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |