DE29622729U1 - Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen - Google Patents
Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-BauelementenInfo
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Description
ABB Daimler-Benz Transportation
(Deutschland) GmbH
Am Rathenaupark
D-16761 Hennigsdorf
(Deutschland) GmbH
Am Rathenaupark
D-16761 Hennigsdorf
B 96/1
Ham-zg
Ham-zg
Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Für die Stromzu- und -ableitung sowie Stromverteilung bei mehreren
räumlich getrennt angeordneten Leistungselektronik-Bauelementen, wie z.B. Schalter, insbesondere Thyristoren und allgemein deren elektrische
Beschaltungen mit ohm'sehen Widerständen, Drosseln und Kondensatoren
sowie Meßwandler , ist es üblich, elektrisch leitende Drähte bzw. Kabel zu verwenden.
Statt der Drahtverbindung ist auch die Verbindung über laminierte,
gegeneinander isolierte, über die jeweiligen Anschlußstellen der Leistungselektronik-Bauelemente geführte Flachschienen (siehe z.B.
Prospekt "Stromversorgung" der Firma Rogers-Mektron N.V. Gent, Belgien
(4358 Claerhout N.V.-09/2221587)) oder plattenförmige Leiter
(DE 41 10 339 C2) bekannt, um insbesondere die Induktivität der Verbindung niedrig zu halten und eine definierte Kapazität zwischen den Leitern zu haben.
(DE 41 10 339 C2) bekannt, um insbesondere die Induktivität der Verbindung niedrig zu halten und eine definierte Kapazität zwischen den Leitern zu haben.
Der Anschluß der Leistungselektronik-Bauelemente an die Flachschienen
bzw. plattenförmigen Leiter wie auch an die zuvor erwähnten Drähte und Kabel erfolgt dabei bisher durch Schrauben oder (seltener) durch
Klemmverbindungen in Handmontage.
Insgesamt erfolgt die technologische Realisierung von
leistungselektronischen Schaltungen und Komponenten in traditioneller Technologie, d.h. Einzelbauelemente, Leistungsmodule (Powerblöcke),
Einzelleitungen und Schienenanordnungen werden generell von Hand montiert. Automatische bzw. teilautomatische Bestückungen sind bisher
nicht üblich.
Diese traditionelle Handbestückung und Montage ist arbeitsintensiv,
zeitaufwendig, unrationell (z.B. wegen der Lohnkosten, der Schichtauslastung, des Materialaufwands und der Materialverteilung, der
Dokumentationsverteiiung und des Prüfauf wands) und mit hohen Fehlerquoten
behaftet. Die Reproduzierbarkeit der Arbeitsgänge und Produkte ist zu hohen Schwankungen unterworfen. Eine wünschenswerte drastische Senkung
des Fertigungsaufwandes von Produkten um Größenordnungen (betreffs Vorbereitung, Durchführung und rationelles Prüfen in der Fertigung) ist
so nicht möglich.
Eine automatische Bestückung von Leiterplatten oder Mehrlagen-Leiterplatten
(Multi-Layer) ist nur für die leistungsarme Steuerungselektronik bekannt (siehe auch Prospekt der Firma Rogers-Mektron
N.V., a.a.O.). Dabei sind die Verbindungsleitungen zur Verbindung der einzelnen Steuerungs- und Regelelemente durch auf isolierendes
Material nach einem Routerprogramm aufgedampfte oder teilweise eingelassene Leiterbahnen gebildet. Die Anschlüsse zwischen einzelnen
Leiterbahnen einer einzelnen oder einer Multi-Layer-Piatte erfolgen durch
Durchkontaktierung durch das Isoliermaterial.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die eine automatisierte Montage der Leistungselektronik-Bauelemente gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafterweise ergibt sich durch die elektrische Verbindung von
Leistungselektronik-Bauelementen bzw. aus diesen Bauelementen zusammengesetzten Modulen (sowie deren Steuerungsplatinen) mittels der
J.«
Schichtenanordnung nach der Erfindung eine Vereinheitlichung und
Herabsetzung der Zahl der Montageebenen (Schichten bzw. Verbindungsschichten). Daraus folgt dann auch eine automatengerechte
Verbindung zwischen Modulen bzw. einzelnen Leistungselektronik-Bauelementen und Schichten in aufeinander folgenden Montageebenen.
Durch eine montagegerechte Bauform der Leistungselektronik-Bauelemente
(Magazinierung, Anschlußdefinition, Abmessung) läßt sich der Grad der Automatisierung der Montage noch steigern.
Die automatische Montage unter Verwendung der Anordnung nach der Erfindung bietet folgende Rationalisierungseffekte:
- Arbeitszeitverkürzung (höhere Stückzahlen in gleichen Zeiträumen) bei der Montage.
- Lohnkostensenkung bezogen auf das Material, da die Zahl der Arbeitskräfte sinkt.
- Hoher Auslastungsgrad der Fertigungseinrichtungen.
- Vereinfachte Materialhaltung und -bereitstellung (Magazinierung).
- Geringerer Platzbedarf (Fertigungsfläche) bei der Montage.
- Eine flexiblere Fertigung auch von kleineren Stückzahlen
(Programmänderung und Materialbereitstellung).
- Der Montageaufwand sinkt erheblich durch Wegfall von Verkabelungsarbeiten, Verschraubungen, Quetschungen,
Lötungen usw. Viele Handhabungen und manuelle Arbeiten entfallen.
- Der Materialaufwand sinkt drastisch, da z.B. der Anteil von mechanisch gefertigten Teilen sinkt (z.B. Bauelementeaufnahmen,
Winkel, Kabelschuhe, ösen, Steckverbinder).
- Der Anteil von Fertigungsfehlern sinkt ebenfalls drastisch, die Reproduzierbarkeit steigt; damit steigt die Qualität
bei geringerem Prüfauf wand.
- Die Schichtstrukturen können mit Entfiechtungsprogrammen
optimiert werden (z.B. Wärmeverteilung, Materialeinsatz, elektromagnetische Verträglichkeit, optimale Bestückung).
- Die Größe und das Gewicht der Geräte und Strukturen wird
optimiert.
optimiert.
- Die Möglichkeiten der Prüfautomation in der Fertigung steigt
- die teueren Verdrahtungsprüfungen am Endgerät werden reduziert.
- die teueren Verdrahtungsprüfungen am Endgerät werden reduziert.
- Bei der Fertigung von automatengerechten Leistungs-Multi-Layern
nach der Erfindung können rationelle Technologien genutzt
werden, wie z.B. das Sintern, das Bedampfen, das Spattern,
nach der Erfindung können rationelle Technologien genutzt
werden, wie z.B. das Sintern, das Bedampfen, das Spattern,
das Gießen oder Technologien der Halbleiterherstellung, so
daß bei der Fertigung der Layer (Schichten) erhebliche Rationalisierungen
möglich sind.
daß bei der Fertigung der Layer (Schichten) erhebliche Rationalisierungen
möglich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung sind in den übrigen
Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung gezeigten
Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Leistungs-Muiti-Layer-Platte
und Fig. 2 eine Ansicht von Modulen bzw. sonstigen Leistungselektronik-Bauelementen
auf einer mit einem Kühlkörper verbundenen
Keramikschicht.
und Fig. 2 eine Ansicht von Modulen bzw. sonstigen Leistungselektronik-Bauelementen
auf einer mit einem Kühlkörper verbundenen
Keramikschicht.
Gemäß Fig. 1 ist ein Haibleiter-Leistungsmodul 1, das eine
Halbleiterstruktur 2 beinhaltet, über seine Kontaktflächen 3 mit einer Anordnung nach der Erfindung verbunden, die eine flächige Verbindung
dieses Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit (hier nicht, aber in Fig. 2 gezeigten) einem oder mehreren Leistungselektronik-Bauelementen
gewährleistet.
Diese Anordnung weist übereinander angeordnete Schichten 4 aus elektrisch
isolierendem Material auf. Sofern es - wie im vorliegenden Falle angenommen - nötig ist, Verlustwärme von dem thermisch gut leitenden
Gehäuse des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 gezielt und verstärkt abzuführen, wird als elektrisch isolierendes Material ein thermisch guter
Leiter gewählt, z.B. Keramik aus Aluminiumnitrid. Die Schichten 4 sind mit einem wärmeleitenden Kleber verklebt. Sie liegen mit ihrer dem
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Halbleiter-Leistungsmodul 1 abgewandten Seite an einem Kühlkörper 6 (z.B.
aus Aluminium) an, der hier noch zusätzliche Kühikanäie 8 für z.B. eine
Wasser- oder eine Wärmerohrkühiung aufweist. Die am Kühlkörper 6 unmittelbar anliegende Schicht 4 ist dann zweckmäßig vollständig aus
isolierendem Material gebildet, sofern der Kühlkörper 6 aus elektrisch
leitfähigem Material gefertigt ist. Der Kühlkörper 6 kann jedoch ebenfalls aus gut wärmeleitender Keramik bestehen. Auch können noch
zusätzliche Kühlsysteme in die Schichten 4 integriert sein.
Zur elektrischen Verbindung des Halbleiter-Leistungsmoduls 1 mit den
(nicht gezeigten) weiteren Leistungselektronik-Bauelementen sind in die
Schichten 4 aus isolierendem Material jeweils schichthoch Leiterbahnen 5 eingebettet.
Die Einbettung kann z.B. dadurch geschehen, daß aus Keramikplatten
entsprechenden Umfangs die Umrisse der gemäß einem Routerprogramm vorgeplanten Leiterzüge zunächst mittels eines abrasiven Hochdruck-Wasserstrahl-Schneidens
ausgeschnitten werden, daß zusätzlich aus Platten gleicher Höhe wie die Keramikplatte aus elektrisch leitfähigem Materil,
z.B. Kupfer, die im Umriss der Leiterzüge benötigten Leiterbahnen durch Hochdruck-Wasserstrahl-Schneiden und/oder einen Stanzvorgang und/oder
durch ein Schneiden mit einem Laserstrahl ausgeschnitten werden und dann in die Ausschnitte der Keramikplatte eingefügt werden.
Zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen 5 in verschiedenen Schichten
4 sind Verbindungsschichten 7 vorgesehen, die ebenfalls aus elektrisch isolierendem und falls gewünscht thermisch gut leitendem Material
bestehen und in die an den vertikalen Verbindungsstellen zwischen den Leiterbahnen 5 schichthoch elektrisches Leitermaterial, z.B. Kupfer,
eingefügt ist. Zur besseren elektrischen Kontaktierung dieser Verbindungsstellen werden diese z.B. durch flußmittelfreies Hartlöten
unter Druck auf die Anordnung in einem Ofen verbunden.
Die Leistungselektronik-Bauelemente wie z.B. das Halbleiter-Leistungsmodul
1 können ganz oder teilweise in Ausnehmungen der Schichten 4 und/oder der Verbindungsschichten 7 angeordnet bzw. in die Schichten 4
bzw. 7 integriert sein. Auch ist es vielfach sinnvoll, die
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Leistungselektronik-Bauelemente direkt auf einem Kühlkörper anzuordnen
und die Anordnung nach der Erfindung als Leistungs-Multi-Layer-System zur
Verschaltung der Bauelemente auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Bauelemente vorzusehen. Die Bauelemente sind z.B. jeweils mit
wärmeleitendem Klebstoff am Kühlkörper befestigt.
Ist die Anordnung nach der Erfindung unmittelbar mit einem Kühlkörper
verbunden, ist es vorteilhaft, daß die den Kühlkörper am weitesten abgewandte Schicht 4 (ggf. unter Zwischenschaltung einer
elektromagnetischen Abschirmschicht) Steuerungsbauelemente für die Leistungselektronik-Bauelemente oder eine entsprechende Steuerungsplatine
trägt.
Wie man leicht erkennt, stellen die einzelnen Schichten 4 bzw. auch die
Zwischenschichten 7 jeweils Montageebenen dar, so daß eine automatisierungsgerechte Montage ohne Schwierigkeit möglich ist.
Um die elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen, können zwischen den
einzelnen Schichten elektromagnetische Abschirmschichten angeordnet sein.
Zur Verbindung mit äußeren elektrischen Anschlüssen, z.B. Rückwandverdrahtungsplatten (Backplane) können die Schichten 4 bzw.
Verbindungsschichten 7 seitliche Verlängerungen und/oder Aussparungen der Leiterbahnen 5 bzw. des elektrisch leitenden Materials aufweisen, die mit
Gegenkontakten die elektrische Außenverbindung herstellen.
Fig. 2 zeigt die Ansicht von einzelnen automatisierungsgerecht in einer
Ebene angeordneten Leistungselektronik-Bauelementen 9 (wie z.B. das Halbleiter-Leistungsmodul 1 oder Widerstände, Drosseln und
Kondensatoren), deren elektrische Kontaktflächen sich auf ihrer Unterseite befinden. Eine wärmeleitende Keramik Iu mit einem in Fig. 1
gezeigten Schichtaufbau dient der Wärmeableitung von den Leistungselektronik-Bauelementen 9 an den Kühlkörper 6 und der Verbindung
der Leistungselektronik-Bauelemente 9 untereinander mit eingebetteten, gestrichelt angedeuteten Leiterbahnen 5.
Claims (15)
1. Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen,
gekennzeichnet durch
übereinander angeordnete Schichten (4) aus elektrisch isolierendem
Material, in das schichthoch elektrische, die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) verbindende Leiterbahnen (5) eingebettet sind und
zwischen diesen Schichten vorgesehene und mit ihnen verhaftete Verbindungsschichten (7) aus ebenfalls elektrisch isolierendem Material, in die schichthoch elektrisches Leitermaterial an Stellen eingefügt ist, an denen eine Verbindung zwischen den Leiterbahnen (5) in den an der Verbindungsschicht (7) unmittelbar beidseitig anliegenden Schichten (4) nötig ist.
zwischen diesen Schichten vorgesehene und mit ihnen verhaftete Verbindungsschichten (7) aus ebenfalls elektrisch isolierendem Material, in die schichthoch elektrisches Leitermaterial an Stellen eingefügt ist, an denen eine Verbindung zwischen den Leiterbahnen (5) in den an der Verbindungsschicht (7) unmittelbar beidseitig anliegenden Schichten (4) nötig ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch isolierende Material der Schichten (4) und Verbindungsschichten (7) ganz oder teilweise aus Keramik besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisende Keramik vorgesehen
ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramik ein Aluminiumnitrid ist.
daß die Keramik ein Aluminiumnitrid ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Schichten und Verbindungsschichten (7) durch einen auf
das elektrisch isolierende Material aufgebrachten wärmeleitenden Kleber verhaftet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterbahnen (5) der Schichten (4) und das elektrische
Leitermaterial der Zwischenschichten (7) durch flußmittelfreies Hartlöten unter Druck auf die Anordnung in einem Ofen verbunden sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß eine äußerste Schicht (4) vollständig aus elektrisch isolierendem,
wärmeleitendem Material besteht und an einen Kühlkörper (6) gelegt ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis I1
dadurch gekennzeichnet,
daß die andere äußere Schicht Steuerungsbauelemente für die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) trägt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Einbettung der Leiterbahnen (5) in den Schichten (4) und/oder des
Leitermaterials in den Verbindungsschichten (7) Lücken in dem isolierenden elektrischen Material durch abrasives Hochdruck-Wasserstrahl
-Schneiden ausgeschnitten sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Züge der Leiterbahnen (5) in den Schichten (4) und/oder des
elektrischen Leitermaterials in den Verbindungsschichten (7) durch ein Hochdruck-Wasserstrahl-Schneiden und/oder einen Stanzvorgang und/oder ein
Schneiden mit einem Laserstrahl hergestellt werden.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten und/oder Verbindungsschichten (4 bzw. 7) Ausnehmungen
aufweisen, in denen die Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) angeordnet sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Leistungselektronik-Bauelemente (1 bzw. 9) in die
Schichten (4 bzw. 7) integriert sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
zusätzliche Kühlsysteme in die Schichten (4 bzw. 7) integriert sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Schichten elektromagnetische Abschirmschichten .) angeordnet sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (4) bzw. Verbindungsschichten (7) seitliche Verlängerungen und/oder Aussparungen der Leiterbahnen (5) bzw. des
elektrisch leitenden Materials aufweisen, die mit Gegenkontakten eine elektrische Außenverbindung herstellen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29622729U DE29622729U1 (de) | 1996-02-24 | 1996-02-24 | Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29622729U DE29622729U1 (de) | 1996-02-24 | 1996-02-24 | Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen |
DE19608299 | 1996-02-24 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE29622729U1 true DE29622729U1 (de) | 1997-05-15 |
Family
ID=26023466
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE29622729U Expired - Lifetime DE29622729U1 (de) | 1996-02-24 | 1996-02-24 | Anordnung zur flächigen Verbindung von Leistungselektronik-Bauelementen |
Country Status (1)
Country | Link |
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