DE102004014660A1

DE102004014660A1 - Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004014660A1
Application number: DE200410014660
Authority: DE
Inventors: Reinhold Rödel; Günther Kernl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Bei einem Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug ist mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement auf einem Trägerkörper angeordnet und mit einer Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers elektrisch leitend verbunden. Zur Vermeidung von Folgeschäden bei einem Defekt des Leistungshalbleiterbauelements ist vorgesehen, dass das für die Kontaktierungsstellen des Leistungshalbleiterbauelements vorgesehene Lot einen derartigen Schmelzpunkt aufweist, dass es beim zumindest teilweisen Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements aufgrund der Verlustleistung des Leistungshalbleiterbauelements erweicht und damit den elektrischen Kontakt zur Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Kraftfahrzeugen werden Leistungsmodule für unterschiedliche Zwecke eingesetzt, bsp. beim Betrieb von Kühlerlüftern, Gebläsen, Sitzheizungen oder Zusatzheizvorrichtungen. Die Schaltelemente der Leistungsmodule sind aufgrund der zu schaltenden hohen Leistungen in der Regel mittels Leistungshalbleiterbauelementen realisiert.

Problematisch hierbei ist, dass die Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungsmodule in manchen Fällen (insbesondere aufgrund von Fehlern im Herstellungsprozess der Leistungshalbleiterbauelemente oder durch Beschädigungen der Leistungshalbleiterbauelemente) durchlegieren können und damit degradieren (sog. „Rapide Korrosion"). Hierdurch werden die Leistungshalbleiterbauelemente auch ohne Ansteuerung teilweise oder vollständig „niederohmig", was hohe Ruheströme der Leistungshalbleiterbauelemente zur Folge hat; dies kann zu einer Entladung der Batterie des Kraftfahrzeugs und/oder zur Rauchentwicklung und/oder zu Bränden im Kraftfahrzeug führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem auf einfache und kostengünstige Weise ein Schutz des Kraftfahr zeugs durch Störungen infolge eines Defekts von Leistungshalbleiterbauelementen des Leistungsmoduls erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Erfindungsgemäß wird die Tatsache ausgenutzt, dass beim (teilweisen oder vollständigen) Durchlegieren eines Halbleiterbauelements im Halbleiterbauelement in der Regel eine hohe Temperatur erzeugt wird (insbesondere bei nicht vorhandener Kühlung). Durch die Verwendung eines auf das Leistungshalbleiterbauelement abgestimmten Lots beim Auflöten des Leistungshalbleiterbauelements auf den das Leistungshalbleiterbauelement aufnehmenden Trägerkörper (hierdurch wird an mindestens einer Kontaktierungsstelle einer Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers, bsp. einer Leiterplatte, eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt) erreicht, dass das Lot der Kontaktierungsstelle bei einem Fehlverhalten des Leistungshalbleiterbauelements aufgrund der dann entstehenden Verlustleistung (Prozesswärme) erweicht und hierdurch das Leistungshalbleiterbauelement zumindest keinen elektrischen Kontakt mehr zur Kontaktierungsstelle und damit zur Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers aufweist; d.h. das schadhafte Leistungshalbleiterbauelement wird durch diesen Trennvorgang ausgelötet und damit außer Funktion gesetzt wird. Hierbei wird insbesondere der Schmelzpunkt des beim Auflöten des Leistungshalbleiterbauelements auf die Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers verwendeten Lots entsprechend den Eigenschaften des Leistungshalbleiterbauelements und dessen Verlustleistung vorgegeben, bsp. durch Verwendung eines geeigneten Lots mit einem Schmelzpunkt im Temperaturbereich von 140 °C bis 220 °C. Je nach Kühlkörper und dessen Wärmewiderstand entspricht dies einer bestimmten Verlustleistung, bsp. bei einem Wärmewiderstand des Kühlkörpers von 40 kW/W einer Verlustleistung im Bereich von 3 W bis 5 W.

Durch die Anordnung des Trägerkörpers im Leistungsmodul und/oder durch die Anordnung des Leistungshalbleiterbauelements auf dem Trägerkörper (insbesondere ist das Leistungshalbleiterbauelement auf der Unterseite eines waagerecht angeordneten Trägerkörpers oder auf der Oberseite oder Unterseite eines senkrecht angeordneten Trägerkörpers angeordnet) wird darüber hinaus erreicht, dass sich das Leistungshalbleiterbauelement beim Trennvorgang auch vom Trägerkörper ablöst. Der Trennvorgang zum Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements vom Trägerkörper kann entweder alleine durch die Schwerkraft bewirkt werden oder aber durch das Zusammenwirken der Schwerkraft und einer auf das Leistungshalbleiterbauelement einwirkenden Federkraft, wobei die Federkraft insbesondere mittels eines unter dem Leistungshalbleiterbauelement angeordneten Federelements realisiert wird. Das Federelement kann hierbei bsp. als Spiralfeder oder als Flachfeder oder als Blattfeder oder als Stanzteil ausgebildet sein. Falls das Leistungsmodul (insbesondere zur Kühlung des Leistungshalbleiterbauelements) ein Kühlelement (bsp. einen Kühlkörper) aufweist, kann dieses selbst das Federelement bilden (insbesondere bei einer Ausbildung des Kühlelements als Stanzteil) oder aber das Federelement wird als zusätzliches Bauteil aus dem gleichen Material wie das Kühlelement gebildet und im oder am Kühlelement integriert. Das Federelement kann alternativ hierzu auch aus einem sich bei Wärme stark ausdehnenden Material gebildet werden, d.h. einem (bsp. zylinderförmigen oder kugelförmigen) Körper mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Bei einem nur teilweise durchlegierten Leistungshalbleiterbauelement (dies kann insbesondere anhand des Auftretens von Leckströmen des Leistungshalbleiterbauelements erkannt werden) kann zur Vermeidung hoher Ruheströme und damit der Entladung der Batterie des Kraftfahrzeugs das bsp. mittels eines Steuereinheit des Leistungsmoduls (bsp. mittels eines Mikroprozessors oder eines anwenderspezifischen Schaltkreises ASIC) angesteuerte Leistungshalbleiterbauelement im „ohmschen Bereich" betrieben werden und hierdurch der Trennvorgang zum Auslöten und insbesondere zum Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements frühzeitig vorgenommen werden.

Die räumliche Konfiguration des Leistungsmoduls muss hierbei so ausgelegt sein, dass mit dem Trennvorgang zum Auslöten und insbesondere zum Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements durch das vom Trägerkörper (bsp. der Leiterplatte) abgelöste Leistungshalbleiterbauelement keine weiteren Beeinträchtigungen des Leistungsmoduls verbunden sind.

Vorteilhafterweise werden beim vorgestellten Leistungsmodul fehlerhafte (teilweise durchlegierte und bereits vollständig durchlegierte) Leistungshalbleiterbauelemente auf einfache und kostengünstige Weise außer Funktion gesetzt und hierdurch die mit einem fehlerhaften Leistungshalbleiterbauelement verbundenen Beeinträchtigungen wie Batterieentladung oder Rauchentwicklung oder Brände im Kraftfahrzeug vermieden.

Besonders vorteilhaft ist dies, wenn das Leistungsmodul im Betrieb des Kraftfahrzeugs aufgrund des hohen Strombedarfs an Dauerspannung anliegt, bsp. direkt an Klemme 30 oder Klemme 31 des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, da dann auch im Ruhezustand des Kraftfahrzeugs ein schädliches Fehlverhalten des Leistungsmoduls vermieden werden kann.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 1 bis 3 erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 das schematische Schaltbild eines zum Zuheizen des Innenraums eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Leistungsmoduls,
2 das schematische Schaltbild eines zur Innengebläsesteuerung eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Leistungsmoduls,
3 in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Leistungsmoduls.
Gemäß 1 sind in einem Kraftfahrzeug für einen Zuheizer mit einer Leistung von bsp. 1500 W zum Zuheizen des Innenraums des Kraftfahrzeugs bsp. fünf Zusatzheizelemente 10 als Leistungsmodul 1 mit einer Leistung von jeweils 300 W vorgesehen, das in diesem Ausführungsbeispiel als sog. „low-side-Schalter" ausgeführt ist Ein derartiges Zusatzheizelement 10 besteht bsp. aus einem vom Kühlmittel Luft umströmten, an Klemme 30 des Kraftfahrzeugs und damit an Dauerspannung angeschlossenen Heizwiderstand 11 (bsp. einem PTC-Heizwiderstand), einem bsp. als Feldeffekttransistor 12 ausgebildeten Leistungshalbleiterbauelement 2 zum Schalten des Heizelements 10, einem RC-Glied aus Widerstand 13 und Kondensator 14 zur Entstörung, sowie aus einer als Mikrocontroller 15 ausgebildeten Steuereinheit 5 zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors 12 und damit des PTC-Heizwiderstands 11. Über die Eingangsleitung 16 wird dem Mikrocontroller 15 die am Feldeffekttransistor 12 abfallende Spannung U₁₂ als Eingangssignal zugeführt.
Bei einem Defekt des Feldeffekttransistors 12 infolge Durchlegierens wird der Feldeffekttransistor 12 niederohmig (R_{DS ON}-Widerstand des Feldeffekttransistors 12 bsp. ca. 1 Ω), so dass bei einem Widerstandswert des PTC-Heizwiderstands 11 von ca. 0.56 Ω bei einer Versorgungsspannung (Bordnetzspannung) des Kraftfahrzeugs von bsp. 13 V ein Strom von ca. 8 A durch den Feldeffekttransistor 12 fließt, wodurch am Feldeffekttransistor 12 eine Verlustleistung von ca. 100 W erzeugt wird.
Gemäß 2 ist in einem Kraftfahrzeug für die Innengebläsesteuerung eine Treiberstufe 20 als Leistungsmodul 1 vorgesehen, das in diesem Ausführungsbeispiel als sog. „high-side-Schalter" ausgeführt ist. Die Treiberstufe 20 besteht hierbei aus einem Elektromotor 21, einem an Klemme 30 des Kraftfahrzeugs und damit an Dauerspannung angeschlossenen, bsp. als Feldeffekttransistor 22 ausgebildeten Leistungshalbleiterbauelement 2 zum Schalten des Elektromotors 21, einer das Leistungshalbleiterbauelement 2 ansteuernden Ladungspumpe 23 zum Versorgen des „high-side-Schalters", sowie aus einer als Mikrocontroller 25 ausgebildeten Steuereinheit 5 zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors 22 und damit des Elektromotors 21. Über die Eingangsleitung 26 wird dem Mikrocont roller 25 die am Elektromotor 21 abfallende Motorspannung U₂₁ als Eingangssignal und über die Eingangsleitung 27 der mittels des Messwiderstands 24 (Shunts) gemessene Motorstrom I₂₁ zugeführt.
Bei einem Defekt des Feldeffekttransistors 22 infolge teilweisen Durchlegierens fließt ein bestimmter Leckstrom (bsp. 0.2 A) durch den Feldeffekttransistor 22, durch den die Batterie bei einer Restkapazität von bsp. 20 Ah nach ca. 4 Tagen vollständig entladen wird, so dass das Kraftfahrzeug dann nicht mehr gestartet werden kann. Bei einer Überwachung des Leckstroms mittels des Mikrocontrollers 25 wird der Feldeffekttransistor 22 vom Mikrocontroller 25 in den ohmschen Bereich gesteuert und dadurch eine hohe Verlustleistung im Feldeffekttransistor 22 erzeugt, bsp. eine Verlustleistung von 20 W.
Gemäß der 3 ist eine mögliche Realisierungsform für das Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) im Fehlerfall dargestellt.
Das Leistungshalbleiterbauelement 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) ist hierbei auf der Unterseite 7 eines bsp. als Leiterplatte ausgebildeten Trägerkörpers 3 aufgebracht, insbesondere mittels des Lots 4 auf den Kühlkörper 6 aufgelötet und hierdurch an bestimmten Kontaktierungsstellen 9 mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte 3 elektrisch leitend verbunden. Als Lot 4 ist dabei bsp. eine Lotverbindung mit einem Schmelzpunkt von bsp. 180 °C vorgesehen. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird im Fehlerfall vom Leistungshalbleiterbauelement 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) eine hohe Verlustleistung von bsp. ca. 100 W erzeugt, die ein Erweichen des Lots 4 bewirkt. Infolge der Schwerkraft und aufgrund der zusätzlich durch das Federelement 8 wirkenden Federkraft, das bsp. durch eine im Kühlkörper 6 unter dem Leistungshalbleiterbauelement 2 angeordnete Spiralfeder realisiert ist, wird der Trennvorgang und damit das Ablöten des Leistungshalbleiterbauelements 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) vom Lot 4 (Trennung der elektrischen Kontaktierung an den Kon taktierungsstellen 9) und das Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) von der Leiterplatte 3 bewerkstelligt.
Neben der hier dargestellten Realisierungsform des Federelements 8 als Spiralfeder kann der Trennvorgang und damit das Ablöten des Leistungshalbleiterbauelements 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) vom Lot 4 und das Ablösen des Leistungshalbleiterbauelements 2 (Feldeffekttransistor 12, 22) von der Leiterplatte 3, insbesondere auch bei einer senkrecht angeordneten Leiterplatte 3, auch nur mittels der Schwerkraft ohne Vorsehen eines Federelements 8 oder zusätzlich durch die Federkraft eines unter dem Leistungshalbleiterbauelement 2, insbesondere im Kühlkörper 6 angeordneten, als Blattfeder oder als Stanzteil oder als bsp. kugelförmiger oder zylinderförmiger Körper aus einem Material mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildeten Federelements 5 bewerkstelligt werden.

Claims

Leistungsmodul (1) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem auf einem Trägerkörper (3) angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (2), das an mindestens einer Kontaktierungsstelle (9) mit einer Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers (3) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot (4) der mindestens einen Kontaktierungsstelle (9) einen derartigen Schmelzpunkt aufweist, dass das Lot (4) beim zumindest teilweisen Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements (2) aufgrund der durch die Verlustleistung des Leistungshalbleiterbauelements (2) erzeugten Wärme erweicht und damit den elektrischen Kontakt zur Leiterbahnstruktur des Trägerkörpers (3) unterbricht.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (2) derart auf dem Trägerkörper (3) angeordnet ist, dass das Leistungshalbleiterbauelement (2) beim zumindest teilweisen Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements (2) vom Trägerkörper (3) abgelöst wird.
Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Trägerkörper (3) zugewandten Unterseite (7) des Leistungshalbleiterbauelements (2) ein Federelement (5) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) als Spiralfeder oder als Blattfeder oder als Flachfeder ausgebildet ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Körper aus einem Material mit hohem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Stanzteil ausgebildet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Kühlkörper (6) ausgebildet ist.