Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung zur steuerbaren elektrischen Leis tungsversorgung eines Verbrauchers.

Inverter, auch Stromrichter genannt, werden verwendet, um Gleichstrom aus einer Batterie in Wechselstrom für einen Elektromotor umzuwandeln und umgekehrt. Zur Energiespeicherung weisen Wechselrichter sogenannte Zwischenkreiskondensato ren auf, zur Umwandlung des Stroms Leistungsmodule. Diese besitzen zur Stromfüh rung Leiterplatten.

Weiterhin besitzen die Leistungsmodule Leistungshalbleiter-Bauelemente, im Folgen den kurz Leistungshalbleiter genannt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Leis tungstransistoren handeln. Die Leistungshalbleiter sind mit einer Leiterplatte über An schlusselemente verbunden. Diese sind an den Leistungshalbleitern befestigt und werden mit der Leiterplatte verlötet.

Dabei besteht das Problem, dass die Anschlusselemente für den Lötvorgang grund sätzlich schwer zugänglich sind. Insbesondere ist es insbesondere für das soge nannte Spaltkopflöten notwendig, die Anschlusselemente zu verlängern im Vergleich zu Standard-Leistungshalbleitern.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplattenano rdnung anzugeben, die die Verwendung von Standard-Leistungshalbleitern ermög licht.

Zur Lösung dieses Problems wird eine Leiterplattenanordnung vorgeschlagen, wel che aufweist: eine Leiterplatte, wenigstens einen Leistungshalbleiter, wobei der Leistungshalbleiter mehrere elektrisch leitfähige Anschlusselemente aufweist, wobei die Anschlusselemente den Leistungshalbleiter und die Leiterplatte verbinden, und der Leistungshalbleiter mit der Leiterplatte über wenigstens ein Anschluss teil elektrisch verbunden ist, wobei das Anschlussteil mit dem Leistungshalb leiber und der Leiterplatte verbunden ist.

Als Kern der Erfindung wird angesehen, dass der Leistungshalbleiter nicht aus schließlich über seine eigenen Anschlusselemente mit der Leiterplatte verbunden ist, sondern auch über wenigstens ein weiteres Anschlussteil. Dieses Anschlussteil ver bindet den Leistungshalbleiter entweder mittelbar oder unmittelbar mit der Leiter platte. Bei Standard-Leistungshalbleitern wird ein Wärmeabführelement, das soge nannte „exposed pad“ sowohl für die Stromzufuhr als auch für die Wärmeabfuhr ver wendet. Wenn man eine bessere Kühlung des Leistungshalbleiters erreichen will, kann man das exposed pad am Kühler anlöten. Dann ist aber die Anordnung der An schlusselemente abzuwandeln. Sieht man ein weiteres Anschlusselement für die Stromzufuhr vor, können die Isolationsabstände zwischen Drain und Source eventu ell nicht mehr eingehalten werden.

Somit kann also ein weiteres Anschlussstück in Form des Anschlussteils vorgesehen sein, das nicht einmal direkt am Leistungshalbleiter angeordnet sein muss. Somit können die Isolationsabstände gehalten werden, ohne die Funktionalität des Leis tungshalbleiters einzuschränken.

Das Anschlussteil ist also im Gegensatz zu den Anschlusselementen nicht im Liefer umfang des Leistungshalbleiters enthalten. Dadurch kann ein Standard-Leistungs halbleiter abgewandelt werden, um in Hochvolt-Anwendungen eine zusätzliche Stromverbindung zwischen Leistungshalbleiter und Leiterplatte, bevorzugt über das exposed pad, zu realisieren, wobei das exposed pad gleichzeitig eine sehr gute Wär meableitung realisieren kann.

In einer ersten Ausgestaltung ist das Anschlussteil mittelbar mit dem Leistungshalb leiter verbunden. Beispielsweise können der Leistungshalbleiter und das Anschluss teil mit demselben Bauteil elektrisch verbunden sein, das somit die Verbindung her stellt. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Anschlussteil direkt mit dem Leistungs halbleiter verbunden sein. Insbesondere kann das Anschlussteil mit dem Wärmeab- führelement, also dem exposed pad, verbunden sein.

Bei dem Wärmeabführelement kann es sich um eine Metallplatte, insbesondere Kup ferplatte, an der Außenseite des Leistungshalbleiters handeln. Dem Namen nach ist diese flächig ausgestaltet. Durch den Anschluss des Wärmeabführelementes an ei nen Kühlkörper kann der Wärmetransport vollzogen werden.

Bevorzugt weist das Wärmeabführelement gegenüber dem Gehäuse des Leistungs halbleiters einen Überstand auf. Es steht also an einer Seite hervor.

Bei einer mittelbaren Verbindung können der Leistungshalbleiter und das Anschluss teil über ein DCB-Substrat elektrisch miteinander verbunden sein. Derartige DCB- Substrate finden sich beispielsweise als Keramikisolatoren. Insbesondere kann der Leistungshalbleiter über eine Kupferbeschichtung mit der Leiterplatte verbunden sein.

Vorteilhafterweise kann auf der Seite des Leistungshalbleiters, die der Leiterplatte gegenüberliegt, ein Kühlkörper angeordnet sein. Mit anderen Worten ist der Leis tungshalbleiter zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnet. Das heißt nicht, dass der Leistungshalbleiter die Leiterplatte oder den Kühlkörper berühren muss oder direkt an diesen anschließt. Insbesondere kann sich zwischen dem Leis tungshalbleiter und dem Kühlkörper bevorzugt ein DCB-Substrat befinden.

Dabei kann das Wärmeabführelement auf der Seite des Kühlkörpers angeordnet sein. Dadurch kann eine optimierte Wärmeableitung erreicht werden.

Vorteilhafterweise kann das DCB-Substrat aus zwei Lagen Kupfer und einer dazwi schenliegenden Lage Keramik bestehen.

Alternativ kann die Schichtenfolge eines DCB-Substrats auch aus Kupfer, einem Die lektrikum und Aluminium bestehen. Vorteilhafterweise ist der Leistungshalbleiter mit dem Kühlkörper verbunden, insbe sondere über das DCB-Substrat. Dadurch sind der Leistungshalbleiter und der Kühl körper zwar zur Wärmeabfuhr verbunden, aber elektrisch isoliert.

Vorzugsweise kann das Anschlussteil einen Toleranzausgleich zwischen der Leiter platte und seiner zweiten Kontaktstelle ermöglichen. Dadurch wird die Montage des Anschlussteils vereinfacht.

Bevorzugt kann das Anschlussteil U-förmig oder U-förmig mit wenigstens einer Stufe ausgebildet sein. Alternativ kann das Anschlussteil Z-förmig ausgestaltet sein. Die sen Formen ist gemeinsam, dass sie einen Toleranzausgleich zulassen. Dieser ist zumindest in der Richtung auf die Leiterplatte hin erforderlich.

Vorteilhafterweise kann das Anschlussteil mit dem DCB-Substrat verbunden sein.

Die Verbindung zum Leistungshalbleiter erfolgt dann über das DCB-Substrat.

Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplattenanordnung. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist.

Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufwei send eine Leiterplattenanordnung. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiter plattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den fol genden Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1 ein Kraftfahrzeug,

Figur 2 eine Leiterplattenanordnung,

Figur 3 ein Anschlussteil in einer ersten Ausgestaltung, Figur 4 ein Anschlussteil in einer zweiten Ausgestaltung,

Figur 5 ein Anschlussteil in einer dritten Ausgestaltung, und

Figuren 6 - 11 ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung.

Figur 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Stromrichters 3. Der Stromrichter 3 umfasst eine Leiterplattenanordnung 4, die weiter unten ausführlicher beschrieben ist.

Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Es kann als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Dabei kann das Kraftfahrzeug 1 auch zwei elektrische Achsen 5 aufweisen.

Figur 2 zeigt eine Leiterplattenanordnung 4. Diese weist als erstes Bauteil eine Lei terplatte 6 auf. Auf der einen Seite der Leiterplatte 6 ist wenigstens ein Leistungs halbleiter 7 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 7 ist über Anschlusselemente 8 mit der Leiterplatte 6 verbunden. Bei dieser Ansicht im Querschnitt ist lediglich ein An schlusselement 8 erkennbar. Selbstverständlich weist ein Leistungshalbleiter 7 aber mehrere Anschlusselemente 8 auf. Der Leistungshalbleiter 7 ist über ein DCB-Sub- strat 9 mit einem Kühlkörper 10 verbunden.

Das DCB-Substrat 9 weist im Kern einen Keramik-Isolator 12 auf. Auf den Außensei ten weist es Kupfer-Beschichtungen 14 auf. Auf diese folgt jeweils eine Lotpreform- Schicht 13. Der Leistungshalbleiter 7 kann mit dem DCB-Substrat 9 über ein Wärme- abführelement 16, auch als exposed pad bezeichnet, verbunden sein. Über das Wär- meabführelement 16 kann die Kühlung des Leistungshalbleiters 7 erfolgen. Zur Rea lisierung der der Stromzufuhr ist vorgesehen, dass zwischen dem Leistungshalbleiter 7 und der Leiterplatte 6 wenigstens ein weiteres elektrisches Verbindungsteil, näm lich das Anschlussteil 18, vorhanden ist. Das Anschlussteil 18 verbindet den Leis tungshalbleiter 7 und die Leiterplatte 6 derart, dass die elektrische Verbindung zwi schen dem Leistungshalbleiter 7 und dem Anschlussteil 18 in der Ausgestaltung nach Fig. 2 mittelbar ist. Beispielsweise kann das Anschlussteil 18 mit dem Leis tungshalbleiter 7 über die Kupferbeschichtung 14 verbunden sein. Dadurch wird es möglich, eine weitere elektrische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter 7 und der Leiterplatte 6 herzustellen, ohne dass die Isolierabstände der Anschlussele mente 8 zu gering werden. Weiterhin ist, wie weiter unten noch dargestellt wird, das Anschlussteil 18 auf einfachere Art und Weise an der Leiterplatte 6 befestigbar als ein Anschlusselement 8.

Das Anschlussteil 18 ermöglicht insbesondere einen Toleranzausgleich in Richtung vom DCB-Substrat 9 zur Leiterplatte 6 hin. Die Figuren 3 bis 5 zeigen dabei verschie dene Ausführungsformen eines Anschlussteils 18, die insbesondere einen derartigen Toleranzausgleich ermöglichen.

Figur 3 zeigt ein Anschlussteil 20, das Z-förmig ausgestaltet ist.

Figur 4 zeigt ein Anschlussteil 22, das V-förmig bzw. U-förmig ausgebildet ist.

Figur 5 zeigt ein Anschlussteil 18 wie bereits in Figur 3 dargestellt, das U-förmig mit einer Stufe ausgebildet ist.

Allen Anschlussteilen 18 bis 22 ist es gemeinsam, dass sie einen Toleranzausgleich in Richtung des Pfeils 24 erlauben. Weiterhin ist allen Anschlussteilen 18 bis 22 ge meinsam, dass sie in Richtung des Pfeils 26 einen Überstand aufweisen. Dieser ist auf der Seite der Leiterplatte 6 vorhanden. Dieser Überstand 28 besteht gegenüber dem Kühlkörper 10. Dadurch wird es möglich, das Anschlussteil 18 auf einfache Art und Weise an der Leiterplatte 6 zu befestigen.

Die Figuren 6 bis 11 zeigen einen Ablauf zur Herstellung einer Leiterplattenanord nung 4. Dabei wird in Schritt 1 gemäß Figur 6 ein Kühlkörper 10 bereitgestellt. Auf diesen wird ein Lotpreform 13 aufgebracht, wie Figur 7 zeigt.

Figur 8 zeigt, dass anschließend ein DCB-Substrat 9 mit Keramik-Isolator 12 und Kupferbeschichtungen 14 aufgebracht wird. Auf diesen folgt, wie in Figur 9 dargestellt, wiederum ein Lotpreform 14. Figur 10 zeigt, dass auf das zuletzt aufge brachte Lotpreform 13 dann der Leistungshalbleiter 7 samt seinen Anschlusselemen ten 8 sowie das Anschlussteil 18 aufgebracht werden. Statt des Anschlussteils 18 kann selbstverständlich auch ein anderes Anschlussteil, insbesondere eines der An schlussteile 20 oder 22 eingesetzt werden.

Auf diesen Aufbau wird am Ende die Leiterplatte 6 hinzugefügt. Dabei kann das An schlussteil 18 aufgrund seines Überstandes 28 besonders gut mit der Leiterplatte 6 verlötet werden, insbesondere mittels Spaltkopflöten. Am Ende erhält man eine Lei terplattenanordnung 4 wie in Figur 2 dargestellt.

In den Figuren ist zwar keine direkte Verbindung von einem Anschlussteil 18, 20, 22 und dem Wärmeabführelement 16 gezeigt. Diese ist aber für alle Ausführungsformen des Anschlussteils ebenfalls möglich.

Bezuqszeichen Kraftfahrzeug Leistungselektronik Inverter Leiterplattenanordnung elektrische Achse Leiterplatte Leistungshalbleiter Anschlusselement DCB-Substrat Kühlkörper Keramik-Isolator Lotpreform Cu-Beschichtung Wärmeabführelement Anschlussteil Anschlussteil Anschlussteil Pfeil Pfeil Überstand