DE10102619A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Leistungsmodul

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DE10102619A1
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Germany
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power module
carrier body
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cooling element
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Withdrawn
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DE10102619A
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Hermann Baeumel
Werner Graf
Hermann Kilian
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Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
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Abstract

Vorgeschlagen wird eine einfache und kostengünstigere Anordnung des Leistungsmoduls, die einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet. DOLLAR A Hierzu ist auf einem Trägerkörper eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Bauteil angeordnet. Auf der Oberseite des Trägerkörpers ist eine Leitbahnenstruktur gebildet, auf der Unterseite des Trägerkörpers ist ein aus einem dünnen Metallblech bestehendes wellenförmig strukturiertes Kühlelement aufgebracht. DOLLAR A Leistungsmodul als Leistungsumrichter für Elektromotoren.

Description

In vielen Bereichen werden elektronische Baugruppen für unterschiedliche Aufgaben und Anwendungen eingesetzt; insbesondere sind als Leistungsmodule ausgebildete elektronische Baugruppen zu Ansteuerzwecken gebräuchlich, beispielsweise zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Elektromotoren.
Bestandteil derartiger Leistungsmodule sind elektronische Bauteile zum Bereitstellen der benötigten Leistung (bsp. bei Elektromotoren typischerweise im kW-Bereich) und zum Bereitstellen von Steuersignalen und/oder zur Auswertung von Meßsigna­ len. Insbesondere ist für die in der Regel sowohl aktive Bauteile wie im Schaltbetrieb mit hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten arbeitende Leistungsbauteile (insbe­ sondere integrierte Schaltkreise als Leistungsschalter) als auch passiva Bauteile wie Widerstände (bsp. Shunts zur Strommessung) und Kondensatoren aufweisende Schaltungsanordnung des Leistungsmoduls zur Vermeidung von Überspannungen ein induktionsarmer Aufbau erforderlich. Demzufolge wird die Schaltungsanordnung des Leistungsmoduls üblicherweise auf einen isolierenden Trägerkörper (ein isolie­ rendes Substrat) aufgebracht, der in der Regel aus einem keramischen Material be­ steht. Zur mechanischen Stabilisierung und zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Bauteile der Schaltungsanordnung (insbesondere der Leistungsbauteile) wird der Trägerkörper auf einen bsp. an ein Kühlsystem angeschlossenen maasiven metalli­ schen Kühlkörper (bsp. eine Kupferplatte oder Aluminiumplatte) aufgebracht und an diesen über eine Verbindungsschicht, bsp. mittels Lot oder Wärmeleitpaste, ther­ misch angebunden; die Isolation (Potentialtrennung) zwischen den elektronischen Bauteilen der Schaltungsanordnung und dem Kühlkörper wird über den isolierenden Trägerkörper realisiert.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Substrat und Kühl­ körper (bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Trägerkörpers und des Metalls des Kühlkörpers) ist zum einen (insbesondere bei einem großflächigen Trägerkörper) zum Spannungs­ ausgleich eine relativ dicke Verbindungsschicht zwischen Trägerkörper und Kühlkör­ per erforderlich (hierdurch ergibt sich ein hoher Wärmewiderstand, insbesondere auch durch das Wärmeleitvermögen negativ beeinflussende Einschlüsse in der Ver­ bindungsschicht, bsp. Lunker in einer Lötschicht), so daß zwischen den elektroni­ schen Bauteilen der Schaltungsanordnung und dem Kühlkörper aufgrund der hier­ durch gebildeten Wärmewiderstände ein schlechter Wärmeübergang gegeben ist und sich die Abfuhr der Verlustleistung (Wärmeabfuhr) der elektronischen Bauteilen demzufolge schwierig gestaltet, zum andern (insbesondere bei einem großen Tem­ peraturbereich für den Einsatz des Leistungsmoduls und den hierdurch bedingten Temperaturwechseln) die Verbindung zwischen dem Trägerkörper und dem Kühlkör­ per oftmals beeinträchtigt, so daß die Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls signifikant verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul mit einem einfachen Aufbau, einer einfachen Fertigung, geringen Kosten, einer hohen Zuverlässigkeit und vorteilhaften thermischen Eigenschaften anzugeben.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der übrigen Patentan­ sprüche.
Als Bestandteil des Leistungsmoduls sind insbesondere folgende Komponenten vor­ gesehen:
  • - Ein aus einem isolierendem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehender (dicker) Trägerkörper, der bsp. als Keramikträger aus einem keramischen Mate­ rial, bsp. aus Aluminiumoxid AbO3 oder Aluminiumnitrid AlN, besteht; der Träger­ körper kann in formfallenden Werkzeugen hergestellt werden, bsp. mittels Troc­ kenpressen oder mittels Spritzguß mit anschließendem Sintern. Die Dicke des Trägerkörpers wird nach Maßgabe seiner Größe (Fläche) und der durch den (bsp. durch Verschraubung erfolgenden) Einbau des Leistungsmoduls an seinem Einsatzort sowie die Kühlung (bsp. durch den Druck des Kühlmittel in einem an das Leistungsmodul angeschlossenen Kühlkreislauf) bedingten mechanischen Belastung ausgewählt.
  • - Auf die Oberseite des Trägerkörpers wird eine (metallische) Leitbahnstruktur mit Leiterbahnen, Aufnahmestellen, Kontaktstellen und Anschlußstellen direkt auf­ gebracht (d. h. ohne Zwischenschichten auf die Oberfläche des keramischen Trägerkörpers), bsp. durch Aktivlötung ("Active Metal Bonding"), irdem die Leit­ bahnstruktur chemisch über eine Oxidbindung direkt auf die Oberfläche des Trä­ gerkörpers gelötet wird, oder durch das DCB-Verfahren, indem die Leitbahn­ struktur mechanisch über das aufgeschmolzene Metall der Leitbahnstruktur im Trägerkörper (insbesondere in den Poren eines keramischen Trägerkörpers) ver­ ankert wird. Über die Leitbahnstruktur können die elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung untereinander und/oder mit Anschlußkontakten elek­ trisch leitend verbunden werden.
  • - Auf die Aufnahmestellen der Leitbahnstruktur werden die elektronischen Bau­ teile der Schaltungsanordnung, insbesondere die Leistungsbauteile, bsp. in Form von Silizium-Chips, aufgebracht (bsp. mittels Weichlot oder durch Aufpressen), die miteinander und/oder mit der Leitbahnstruktur kontaktiert werden (bsp. entweder mittels Drahtbonden durch Kontaktierung der Anschlüsse der elektro­ nischen Bauteile über Bonddrähte mit bestimmten Kontaktstellen der Leitbahn­ struktur oder mit Anschlüssen weiterer Bauteile oder mittels eines Niedertempe­ ratur-Sinterverfahrens durch direktes Aufbringen und Versintern der Anschlüsse der elektronischen Bauteile). Weiterhin werden an die Anschlußstallen der Leit­ bahnstruktur Anschlußkontakte angebracht, die zur (externen) Verbindung des Leistungsmoduls mit weiteren Baugruppen oder Bauteilen dienen.
  • - Auf die bsp. ganzflächig oder gitterförmig mit einer Metallisierungsschicht ver­ sehene Unterseite des (dicken) Trägerkörpers wird ein Kühlelement aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebracht (insbesondere aufgelötet), über das die Wärmeabfuhr der Schaltungsanordnung (der Verlustleistung der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung) vom Trägerkörper her erfolgt.
    Die äußere Form (die Umrandung) des Kühlelements ist vorzugsweise an die Form des Trägerkörpers angepaßt; die Größe (Fläche) des Kühlelements richtet sich nach der abzuführenden Verlustleistung, d. h. die erforderliche Kühlfunktion muß durch das Kühlelement gewährleistet werden. Zur Vergrößerung der die Kühlwirkung gewährleistenden Oberfläche wird das Kühlelement aus einer Viel­ zahl von (gleichartig strukturierten) gebogenen (dünnen) Geometrieelementen gebildet, die in einer seitlich gegeneinander versetzten Mehrfachwellenstruktur angeordnet sind; d. h. jeweils eine bestimmte Anzahl von Geometrieelementen ist zur Bildung einer (annähernd sinusförmigen) Reihe in einer Wellenstruktur (wellenförmigen Struktur) hintereinander angeordnet, während jeweils zwei be­ nachbarte Reihen Geometrieelemente gegeneinander versetzt werden (vorzugs­ weise um jeweils eine halbe Wellenlänge der Wellenstruktur). Die Form des Kühlelements und damit die Form, Anzahl und Anordnung der Geometrieelemen­ te, insbesondere die Anordnung der Reihen der Geometrieelemente zueinander, wird an den jeweiligen Anwendungszweck des Leistungsmoduls und an die er­ forderliche Kühlleistung angepaßt. Das bsp. als (kostengünstiges) Stanz-Biege- Teil ausgebildete Kühlelement besteht als "Wellenblech" vorzugsweise aus ei­ nem dünnen metallischen Material, d. h. die Gesamtheit der Geometrieelemente des Kühlelements wird aus einem dünnen Metallblech, bsp. aus seinem verzinn­ tem Aluminiumblech ausgeformt, bsp. in einem Stanz-Biege-Prozeß. Das Kühle­ lement wird auf geeignete Weise über die auf der Unterseite des Trägerkörpers angeordnete Metallisierungsschicht mit dem Trägerkörper verbunden, insbeson­ dere durch Verlöten, indem die Geometrieelemente an ihren an den Trägerkör­ per angrenzenden Erhebungen ("Wellenberge") mit der Metallisierungsschicht verbunden (insbesondere verlötet) werden; das Verlöten des Kühlelements mit dem Trägerkörper kann in einem separaten Lötprozeß erfolgen (bsp. durch Hartlöten oder Weichlöten) oder in einem gemeinsamen Lötprozeß zusammen mit den Bauteilen der Schaltungsanordnung (bsp. durch Weichlöten). Das Küh­ lelement ist insbesondere in einem Kühlkreislauf integriert, bsp. wird das Kühl­ element vom Kühlmittel des Kühlkreislaufs (bsp. Wasser oder Luft) durchströmt; durch die Geometrieelemente des Kühlelements werden Strömungskanäle für das Kühlmittel des Kühlkreislaufs vorgegeben, indem das Kühlmittel zwischen den verschiedenen Reihen der Geometrieelemente durchströmt. Durch die Vor­ gabe der Anordnung und der Struktur (Form) des Kühlelements und damit der Geometrieelemente kann der Wärmeübergang vom Trägerkörper via Kühlele­ ment auf das Kühlmittel eingestellt werden.
Das Leistungsmodul vereinigt mehrere Vorteile in sich:
Der Trägerkörper dient sowohl zur Wärmeabfuhr als auch als Schaltungsträger (Sub­ strat) für die elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung sowie zur Abdich­ tung bei einer direkten Anordnung des Leistungsmoduls in einem Kühlkreislauf und damit der Integration des Kühlelements im Kühlkreislauf; durch die unmittelbare Anbindung der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung auf dem Träger­ körper können thermische Probleme vermieden werden, so daß eine hohe Zuverläs­ sigkeit und Lebensdauer des Leistungsmoduls gegeben ist.
Das als (dünnes) "Wellenblech" ausgebildete Kühlelement besitzt nur ein geringes Gewicht, gewährleistet dennoch eine ausreichende Wärmeabfuhr der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung, insbesondere eine variabel wählbare Wärmeab­ fuhr durch entsprechende Ausgestaltung des Kühlelements und damit der Geome­ trieelemente, so daß insbesondere bei einer Integration des Kühlelements in den Kühlkreislauf eines Kühlsystems die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels und der Druckverlust im Kühlkreislauf an die Anforderungen angepaßt werden kann. Der Herstellungsaufwand ist gering, da eine einfache Herstellung des Kühlelements möglich ist (bsp. mittels handelsüblicher Stanz-Biege-Werkzeuge) und Fertigungs­ probleme vermieden werden können, so daß auch geringe Fertigungskosten anfal­ len, insbesondere auch durch den Einsatz einfacher und kostengünstiger Materiali­ en.
Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Fig. 1 bis 3) soll das Leistungsmodul an­ hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht der Oberseite des Leistungsmoduls,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Leistungsmoduls,
Fig. 3 eine Ansicht der Unterseite des Leistungsmoduls.
Das Leistungsmodul 1 wird bsp. als Leistungsumrichter für flüssigkeitsgekühlte Elek­ tromotoren im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt (Leistung bsp. 10 kW); aufgrund der entstehenden hohen Verlustleistung wird der Leistungsumrichter 1 direkt am Elek­ tromotor an die Flüssigkeitskühlung angekoppelt, d. h. in den mit dem Kühlmittel Wasser betriebenen Kühlkreislauf des Elektromotors integriert.
Der Leistungsumrichter 1 besteht aus folgenden Komponenten:
  • - Einem bsp. als Keramiksubstrat (Keramikträger) ausgebildeten, bsp. aus AlN bestehenden Trägerkörper 2 als Schaltungsträger mit den Abmessungen von bsp. 90 mm × 57 mm × 3 mm, der direkt in den Kühlkreislauf integriert ist und damit auch die Abdichtung des Kühlkreislaufs gegenüber den weiteren Kompo­ nenten des Leistungsumrichters 1 übernimmt.
  • - Auf die Oberseite 14 des Trägerkörpers 2 ist eine bsp. aus Kupfer bestehende Leitbahnstruktur 7 (Dicke bsp. 0,3 mm) mit Leiterbahnen 8, Aufnahmestellen 13, Kontaktstellen 9 und Anschlußstellen 11 aufgebracht, bsp. mittels eines di­ rekten (aktiven) Lötprozesses auf den Trägerkörper 2 chemisch aufgelötet. An den Kontaktstellen 9 werden die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsan­ ordnung 6 kontaktiert, d. h. mit der Leitbahnstruktur 7 elektrisch leitend verbun­ den; an den Anschlußstellen 11 werden Anschlußkontakte 12 angebracht, bsp. mittels des Lots 20 angelötet.
  • - Auf dem Trägerkörper 2 ist eine elektronische Bauteile 5 aufweisende Schal­ tungsanordnung 6 angeordnet, die insbesondere Leistungsbauteile zur Realisie­ rung der Umrichterfunktion und der sich hieraus ergebenden Ansteuerung des Elektromotors aufweist. Die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 werden als Silizium-Chips an den Aufnahmestellen 13 auf die Leitbahnstruktur 7 aufgebracht (bsp. mittels eines Weichlötprozesses aufgelötet) und bsp. über Bondverbindungen 10 mit den Kontaktstellen 9 der Leiterbahnen 8 der Leit­ bahnstruktur 7 verbunden und/oder mit anderen elektronischen Bauteilen 5.
  • - Die Verlustleistung der elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 (insbesondere der Leistungsbauteile) wird über den Trägerkörper 2 und das Kühlelement 3 in den mit dem Kühlmittel Wasser durchströmten Kühlkreislauf abgeführt. Hierzu wird auf die mit einer Metallisierungsschicht 16 versehene Un­ terseite 15 des Trägerkörpers 2 das als Stanz-Biege-Teil gefertigte, bsp. aus ei­ nem dünnen Aluminiumblech (Dicke des Aluminiumblechs bsp. 0,2 mm) mit ver­ zinnter Oberfläche bestehende Kühlelement 3 aufgebracht, bsp. so bestimmten Verbindungsstellen 19 aufgelötet, bsp. in einem gemeinsamen Lötprozeß zu­ sammen mit dem Auflöten der elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanord­ nung 6 auf die Oberseite 14 des Trägerkörpers 2. Das Kühlelement 3 ist in einer bestimmten Weise zur Ausbildung von Geometrieelementen 4 strukturiert, die zur Bildung von Strömungskanälen 18 für das Kühlmittel in einer bestimmten Anzahl in einer Reihe 17 hintereinander und in verschiedenen benachbarten Reihen 17 versetzt zueinander angeordnet sind; insbesondere sind die Geome­ trieelemente 4 derart strukturiert angeordnet (gefaltet), daß in einer Reihe 17 eine Wellenstruktur mit einem annähernd sinusförmigen Verlauf gebildet wird und daß zwei benachbarte Reihen 17 jeweils um eine Halbwelle der Wellenstruk­ tur versetzt zueinander angeordnet sind. Bsp. sind in einer Reihe 17 auf einer Länge von bsp. 80 mm 10 Geometrieelemente 4 hintereinander angeordnet und auf einer Breite von bsp. 40 mm 4 verschiedene Reihen 17 mit Geometrieele­ menten 4 versetzt zueinander angeordnet. Die Geometrieelemente 4 des Küh­ lelements 3 mit einer Höhe von bsp. 6 mm ragen in den Kühlkreislauf des Elek­ tromotors hinein und werden vom Kühlmittel Wasser durchflossen, wobei nach Maßgabe der durch die Anordnung der Geometrieelemente 4 gebildeten Strö­ mungskanäle 18 eine bestimme Durchflußrichtung und eine bestimmte Strö­ mungsgeschwindigkeit des Kühlwassers vorgegeben wird.

Claims (9)

1. Leistungsmodul (1) mit
einem Trägerkörper (2) zur Aufnahme einer Schaltungsanordnung (6) mit minde­ stens einem elektronischen Bauteil (5),
einer auf der Oberseite (4) des Trägerkörpers (2) gebildeten Leitbahnstruktur (7),
und einem auf der Unterseite (15) des Trägerkörpers (2) aufgebrachten, aus ei­ nem dünnen Metallblech bestehenden Kühlelement (3) mit einer Wellenstruktur.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (3) zur Bildung der Wellenstruktur eine Vielzahl von eine vorgegebene Anordnung aufweisenden Geometrieelementen (4) umfaßt.
3. Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geo­ metrieelemente (4) in mehreren Reihen (17) versetzt zueinander angeordnet sind, und daß mehrere Geometrieelemente (4) in einer Reihe (17) zur Bildung der Wellenstruktur hintereinander angeordnet sind.
4. Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geome­ trieelemente (4) in benachbarten Reihen (17) jeweils um eine halbe Wellenlänge der Wellenstruktur versetzt zueinander angeordnet sind.
5. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrieelemente (4) annähernd sinusförmig ausgebildet sind.
6. Leistungsmodul nach, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (3) mit einer auf der Unterseite (15) des Trägerkörper (2) aufgebrachten Metallisie­ rungsschicht (16) verbunden ist.
7. Leistungsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenberge der Geometrieelemente (4) mit der auf der Unterseite (15) des Trägerkörpers (2) aufgebrachten Metallisierungsschicht (16) verbunden sind.
8. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (3) als Stanz-Biege-Teil ausgebildet ist.
9. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Oberseite (14) des Trägerkörper (2) angeordnete Leitbahnstruktur (7) Leiterbahnen (8), Aufnahmestellen (13) zur Aufnahme der elektronischen Bau­ teile (5) der Schaltungsanordnung (6), Kontaktstellen (9) zur Kontaktierung der elektronischen Bauteile (5) der Schaltungsanordnung (6) und Anschlußstellen (11) zur Anbindung von Anschlußkontakten (12) aufweist.
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