Title:
Verbindungsmittel zum Verbinden der Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises oder eines diskreten Halbleiters
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Verbindungsmittel (110) zum Verbinden der Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises (120), eines diskreten Halbleiters (120) oder eines Sensorelementes (120) mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile (130) oder eines Gehäuses (130). Das Verbindungsmittel (110) umfasst mindestens eine Kohlenstofffaser. embedded image





Inventors:
Heyse, Joerg (74354, Besigheim, DE)
Koehne, Martin (71679, Asperg, DE)
Application Number:
DE102016220664A
Publication Date:
04/26/2018
Filing Date:
10/21/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
H01L23/49; H01B1/04
Foreign References:
93790352016-06-28
200900724082009-03-19
201503111742015-10-29
Claims:
Verbindungsmittel (110) zum Verbinden der Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises (120), eines diskreten Halbleiters (120) oder eines Sensorelementes (120) mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile (130) oder eines Gehäuses (130), wobei das Verbindungsmittel (110) eine Kohlenstofffaser umfasst.

Verbindungsmittel (110) nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel (110) einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner als 20µm ist, insbesondere kleiner als 10µm oder 5 µm.

Verbindungsmittel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmittel (110) im Betrieb Ströme bis zu ungefähr 10^4 bis 10^7A/mm^2 überträgt.

Verbindungsmittel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmittel (110) eine Vielzahl nebeneinander liegender Kohlenstofffasern und mit einen runden (210), ovalen (220), flachen (230), quadratisch oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

Verbindungsmittel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmittel (110) eine Kohlenstofffaser umfasst, welche mit einer textilfasertechnischen Methode hergestellt ist, insbesondere mittels Verdrillen, Flechten oder Knoten.

Verbindungsmittel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel (110) und den Anschlüssen mittels Löten, Krimpen oder Ultraschallschweißen hergestellt ist.

Elektrische Komponente (310), insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, mit einem Verbindungsmittel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Spannungswandler (410), insbesondere ein Gleichspannungswandler oder ein Wechselrichter, mit einer elektrischen Komponente (310) nach Anspruch 7.

Antriebstrang (500) eines Fahrzeugs mit einem Spannungswandler (410) nach Anspruch 8.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verbindungsmittel zum Verbinden der Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises oder eines diskreten Halbleiters. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Komponente, einen Spannungswandler oder Antriebsstrang mit einem entsprechenden Verbindungsmittel.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2010 038 801 A1 ist beispielsweise bekannt, ein Sensorelement mit einer Ansteuer- oder Auswerteschaltung mittels einer Drahtverbindung zu verbinden. Mechanische Schwingungen sowie häufige Temperaturwechsel führen bei derartigen Drahtverbindungen zu Materialermüdung mit der Folge eines Bruches der Drahtverbindung oder eines Lösens der elektrischen Kontaktierung. Solche mechanischen Wechselbeanspruchungen erfolgen durch zyklische und laterale Verschiebungen der beiden mittels der Verbindung verbundenen Komponenten. Dabei werden sowohl der Draht selbst als auch die Kontaktstellen mechanisch gestresst. Daher besteht Bedarf für verbesserte elektrische Verbindungen zweier elektrischer Komponenten.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verbindungsmittel zum Verbinden der Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises, eines diskreten Halbleiters oder eines Sensorelementes mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile oder eines Gehäuses bereitgestellt.

Dieses Verbindungsmittel umfasst mindestens eine Kohlenstofffaser, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhre oder Graphenfaser.

Es wird ein Verbindungsmittel zum Verbinden miniaturisierter elektrischer Schaltkreise mit elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile der elektrischen Komponente, beispielsweise eines Gehäuses bereitgestellt. Das Verbindungsmittel umfasst mindestens eine Kohlenstofffaser, also insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhre oder Graphenfaser. Vorteilhaft wird ein alternatives Material zur Verbindung von elektrischen miniaturisierten Schaltungen bereitgestellt. Aufgrund ihrer hohen Elastizität dämpfen die Kohlenstofffasern - ohne Schaden zu nehmen - vorteilhaft die auftretenden mechanischen Spannungen, wenn die zu verbindenden Komponenten zyklisch und mechanisch lateral zueinander verschoben werden. Somit ergeben sich an vergleichbaren Einsatzorten weniger Ausfälle durch Materialbruch oder Lösen der Kontaktstellen als bei herkömmlichen Verbindungsmitteln aufgrund mechanischer Belastung der zu verbindenden Komponenten untereinander.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verbindungsmittel einen Durchmesser auf, der kleiner als 20 µm ist, insbesondere kleiner als 10 µm oder 5 µm.

Es werden Verbindungsmittel, die Kohlenstofffasern umfassen, bereitgestellt. Diese weisen einen sehr geringen Durchmesser auf, der kleiner als 20 µm, 10µm oder als 5 µm ist. Die Verwendung dieser dünnen Verbindungsmittel erlaubt engere Anordnungen von Kontaktstellen oder Pads der miteinander zu verbindenden elektrischen Komponenten. Somit wird die Möglichkeit geschaffen, die Miniaturisierung elektrischer Schaltungen weiter fortzuführen. Die minimalen Durchmesser herstellbarer Drahtverbindungen betragen um die 15µm und limitieren mit der Größe der dazu erforderlichen Anschlusskontakte die weitere Miniaturisierung der Kontaktflächen und bestimmen den notwendigen Bauraumbedarf anzuschließender integrierter Schaltkreise.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung übertragen die Verbindungsmittel Ströme bis zu ungefähr 104 bis 107 Ampere pro Quadratmillimeter.

Es werden Verbindungsmittel bereitgestellt, die, im Vergleich zu herkömmlichen Drahtverbindungen, mit hohen Strömen betrieben werden. Die Ströme betragen bis zu ungefähr 104 bis 107 Ampere pro Quadratmillimeter. Vorteilhaft können diese Verbindungsmittel trotz der geringeren Durchmesser mit hohen Strömen betrieben werden. Bei der Verwendung von Kohlenstofffasern tritt vorteilhaft keine Elektromigration auf.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verbindungsmittel eine Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern oder nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern. Weiter weist das Verbindungsmittel einen runden, ovalen oder flachen Querschnitt auf.

Der Durchmesser einer einzelnen Kohlenstofffaser ist sehr klein. Zur Ausbildung eines Verbindungsmittels, werden daher eine Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlestofffasern angeordnet. Der Querschnitt der Anordnung dieser Vielzahl an Kohlestofffasern ist je nach Anforderung rund, oval, flach, quadratisch oder rechteckig ausgebildet. Vorteilhaft werden unterschiedliche Querschnitte bereitgestellt, die je nach zu erwartender mechanischer Belastungen bei der späteren Verwendung der Verbindungsmittel oder in Abhängigkeit von Randbedingungen des Herstellprozesses, beispielsweise die Greifbarkeit der Verbindungsmittel in der Produktion, ausgewählt werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verbindungsmittel eine Kohlenstofffaser, welche mit einer textilfasertechnischen Methode hergestellt ist, insbesondere mittels Verdrillen, Flechten oder Knoten.

Kohlenstofffasern, aus denen das Verbindungsmittel hergestellt wird, werden mittels unterschiedlicher Methoden hergestellt. Insbesondere sind das textilfasertechnische Methoden, wie beispielsweise Verdrillen, Flechten oder Knoten. Vorteilhaft wird in Abhängigkeit der Herstellprozesse elektrischer Schaltungen oder zukünftiger mechanischer Belastungen der Verbindungsmittel im eingebauten Zustand die Art der Faser, beispielsweise verdrillt, geflechtet oder geknotet, ausgewählt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und den Anschlüssen, Pads oder Kontaktstellen der miteinander zu verbindenden elektrischen Komponenten, mittels Löten, Krimpen oder Ultraschallschweißen hergestellt.

Für die Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und den Anschlüssen werden vorteilhaft unterschiedliche Verfahren bereitgestellt. Bevorzugt wird diese Verbindung mittels Löten, insbesondere auch mit einem Aktivlot, oder Krimpen oder Ultraschallschweißen hergestellt.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Komponente, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul, mit einem bisher beschriebenen Verbindungsmittel.

Bevorzugt werden diese Verbindungsmittel in elektrischen Komponenten eingesetzt, die vergleichsweise hohe elektrische Leistungen übertragen und/oder hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Verwendung dieser Verbindungsmittel ermöglicht vorteilhaft eine hohe Packungsdichte innerhalb der elektrischen Komponente. Zudem wird die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund eines Bruches des Verbindungsmittels oder eines Ablösens von der Kontaktstelle vermieden.

Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungswandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler oder einen Wechselrichter, mit einer beschriebenen elektrischen Komponente.

Spannungswandler dienen der Umwandlung von elektrischer Energie. Beispielsweise wandelt ein Gleichspannungswandler eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung zu einer ausgangsseitig anliegenden Gleichspannung mit einer höheren oder niedrigeren Spannung um. Ein Wechselrichter wandelt eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung zu einer ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung um, oder umgekehrt. Bevorzugt werden in Spannungswandlern Verbindungsmitteln eingesetzt, welche Kohlenstofffasern umfassen, zur Reduktion von Bauraum, Gewicht und zur Leistungssteigerung. Insbesondere werden die darin enthaltenen Komponenten oder Leistungshalbleitermodule untereinander oder mit einem Gehäuse mit Verbindungsmitteln verbunden, welche Kohlenstofffasern umfassen.

Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem beschriebenen Spannungswandler.

Zur Reduktion des Gewichts und/oder zur Leistungssteigerung der Antriebsstränge von Fahrzeugen werden vorteilhaft Spannungswandler eingesetzt die Komponenten aufweisen, welche Verbindungsmittel mit Kohlenstofffasern umfassen.

Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Verbindungsmittels entsprechend auf die elektrische Komponente, den Spannungswandler und den Antriebsstrang und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Figurenliste

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Verbindungsmittels zum Verbinden eines integrierten elektrischen Schaltkreises mit einem weiteren Bauteil einer elektrischen Komponente,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern mit einem runden Querschnitt,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern mit einem ovalen Querschnitt,
  • 4 eine schematische Darstellung einer Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern mit einem flachen oder rechteckigen Querschnitt,
  • 5 eine schematische Darstellung einer elektrischen Komponente mit einem Verbindungsmittel,
  • 6 einen Spannungswandler mit einer elektrischen Komponente,
  • 7 einen schematisch dargestellten Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Spannungswandler.

Ausführungsformen der Erfindung

Die 1 zeigt ein Verbindungsmittel 110, welches mindestens eine Kohlenstofffaser umfasst und eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Anschlüssen oder Kontakten eines integrierten Schaltkreises 120, eines diskreten Halbleiters 120 oder eines Sensorelementes 120 und den elektrischen Anschlüssen eines anderen Bauteiles 130, einer Komponente 130 oder eines Gehäuses 130 einer elektrischen Komponente.

2 zeigt eine Ausführungsform eines Verbindungsmittels 110 mit einem runden Querschnitt 210, wobei das Verbindungsmittel 110 eine Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern umfasst, die derart angeordnet sind, dass sich ein runder Querschnitt des Verbindungsmittels 110 ergibt.

3 zeigt eine Ausführungsform eines Verbindungsmittels 110 mit einem ovalen Querschnitt 220, wobei das Verbindungsmittel 110 eine Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern umfasst, die derart angeordnet sind, dass sich ein ovaler Querschnitt des Verbindungsmittels 110 ergibt.

4 zeigt eine Ausführungsform eines Verbindungsmittels 110 mit einem flachen oder rechteckigen Querschnitt 230, wobei das Verbindungsmittel 110 eine Vielzahl nebeneinanderliegender Kohlenstofffasern umfasst, die derart angeordnet sind, dass sich ein flacher oder rechteckiger Querschnitt des Verbindungsmittels 110 ergibt.

Die 5 zeigt eine elektrische Komponente 310, die Verbindungsmittel 110 umfasst. Die Verbindungsmittel 110, die Kohlenstofffasern umfassen, verbinden beispielsweise eine integrierte Schaltung 120, insbesondere Leistungshalbleiterschalter eines Leistungsmoduls, mit den stromführenden Kontakten 320, 330. Die stromführenden Kontakte 320, 330 sind außerhalb der elektrischen Komponente 310, insbesondere außerhalb eines Leistungsmoduls, beispielsweise mit Stromschienen kontaktierbar. Diese Stromschienen führen beispielsweise den Strom zum Antrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise für den Antrieb eines elektrischen Fahrzeuges.

Die 6 zeigt einen Spannungswandler 410, welcher eine Vielzahl elektrischer Komponenten 310 umfasst, insbesondere Leistungsmodule oder Leistungshalbleiterschalter. Die Komponenten 310 wandeln beispielsweise eine Eingangsspannung, die an den Eingangsanschlüssen 420 und 430 anliegt, in eine dreiphasige Wechselspannung um, die an den Ausgangsanschlüssen 440, 450 und 460 anliegt.

Die 7 zeigt einen Antriebsstrang 500, welcher insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Der Antriebsstrang 500 umfasst eine Energiequelle 510, deren Gleichspannung über einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator 520 einem Spannungswandler 410, insbesondere einem Wechselrichter, zugeführt wird. Der Spannungswandler 410 wandelt die Gleichspannung ein eine dreiphasige Wechselspannung zur Versorgung einer elektrischen Maschine 530.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102010038801 A1 [0002]