DE102009027292B4

DE102009027292B4 - Inverterleistungsmodul mit verteilter Stütze zur direkten Substratkühlung

Info

Publication number: DE102009027292B4
Application number: DE200910027292
Authority: DE
Inventors: David Harold Miller; Mark D. Korich; Terence G. Ward; Brooks S. MANN
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: DE102009027292A1; US20100053889A1; CN101661912A; CN101661912B; US8248809B2

Abstract

Ein Leistungsmodul zum Verwenden in einem Fahrzeug, wobei das Leistungsmodul aufweist: ein Leistungselektroniksubstrat (102); einen ersten Kunststoffrahmen (104), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen; und einen zweiten Kunststoffrahmen (106), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) ausgestaltet sind, zusammen verbunden zu werden, um das Leistungselektroniksubstrat (102) zu stützen, wobei das Leistungselektroniksubstrat (102) zwischen dem ersten Kunststoffrahmen (104) und dem zweiten Kunststoffrahmen (106) derart angeordnet ist, dass eine Abdichtung zwischen dem ersten Kunststoffrahmen (104) und dem Leistungselektroniksubstrat (102) ausgebildet wird, wenn der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) zusammenverbunden werden, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Ausführungsformen des hier beschriebenen Gegenstands beziehen sich allgemein auf Leistungselektronikmodule und insbesondere beziehen sich die Ausführungsformen des Gegenstands auf Inverterleistungsmodule, die zur Verwendung mit direkten Substratkühlungsverfahren geeignet sind.
HINTERGRUND
Viele elektrische Komponenten generieren Wärme als ein Nebenprodukt, wenn sie elektrische Energie abbauen. Eine Überhitzung wirkt sich oft auf die Leistung und die Sicherheit elektronischer Komponenten aus, und somit werden elektrische Vorrichtungen routinemäßig gekühlt, um eine Überhitzung zu vermeiden.
In den meisten Anwendungen der Leistungselektronik werden dort, wo eine effiziente Wärmeabfuhr erwünscht ist, Kühlkörper verwendet. Kühlkörper absorbieren und bauen Wärme aus elektrischen Komponenten durch einen thermischen Kontakt ab. Ein Kühlkörper kann zum Beispiel an ein Leistungselektroniksubstrat gelötet oder montiert werden, um das Substrat zu kühlen. In den höheren Leistungsanwendungen wird oft die Größe des Kühlkörpers erhöht, um seine Wärmekapazität zu verbessern. Die Erhöhung der Größe des Kühlkörpers führt zu erhöhten Kosten, zu erhöhtem Gewicht und zu erhöhtem Volumen des entsprechenden Leistungselektronikmoduls. Das erhöhte Gewicht und das erhöhte Volumen des Leistungselektronikmoduls sind aus der Sicht des Verpackens unerwünscht. In Automobilanwendungen ist zum Beispiel der Bauraum unter der Motorhaube begrenzt und das Erhöhen des Gewichts des Fahrzeugs ist unerwünscht.
Alternative Kühlmethoden können eingesetzt werden, um das Leistungselektroniksubstrat zu kühlen. Allerdings können der Druck oder die Kräfte, die durch diese Kühlmethoden verursacht werden, eine Verformung des Leistungselektroniksubstrats verursachen, was potentiell zur Verkrümmung des Leistungselektroniksubstrats oder zu Rissen in dem Leistungselektroniksubstrat führen kann.
Des Weiteren ist aus der WO 2008/089711 A1 eine Baueinheit bekannt, die ein flächiges Substrat umfasst, welches mit einem zu kühlenden Bauelement bestückt ist. Das Substrat ist als Direct-Copper-Bonding (DCB-)Substrat ausgebildet und einseitig von einer das Bauelement umschließenden Vergußmasse abgedeckt. Auf der Unterseite des Substrats, das heißt auf der dem Bauelement sowie der Vergußmasse abgewandten Seite des Substrats, befindet sich ein Kühlvolumen, welches von einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, insbesondere Wasser, durchströmt wird. Das Kühlvolumen, auch als Kühlkanal bezeichnet, hat einen rechteckigen Querschnitt, wobei dieser auf einer Seite durch das Substrat und auf drei Seiten durch ein Gehäuseunterteil oder ein fest mit einem solchen Teil verbundenes Bauteil, beispielsweise einen Kühlkörper, begrenzt ist. Das Substrat ist zum Gehäuseunterteil hin mittels einer Dichtung abgedichtet.
Aus der DE 10 2006 006 175 A1 ist des Weiteren eine Leistungselektronikanordnung bekannt mit einem Isoliersubstrat, mit einem unterhalb des Isoliersubstrats angeordneten Kühlelement und mit einem oder mehreren Leistungselektronikbauelementen, die auf einer jeweiligen Metallisierungsfläche des Isoliersubstrats angebracht sind. Auf der Oberfläche des Isoliersubstrats ist eine Metalllage angebracht, die das Isolierungssubstrat allseitig überragt. Der das Isoliersubstrat überragende Bereich der Metalllage bildet eine das Isoliersubstrat umrandende Metallkrempe.
In der US 2003/0053298 A1 ist eine flüssiggekühlte Schaltungsvorrichtung offenbart aufweisend: ein Modul mit einem Schaltungselement und einer Modulbasisplatte auf der Oberfläche auf welchem das Schaltungselement befestigt ist. Die Modulbasisplatte wird mit einer Modulhalteplatte durch Schweißen, wie Laserschweißen, verbunden.
Aus der DE 10 2004 014 911 A1 ist ein Halbleitermodul bekannt, welches einen ortsfesten Kühler, einen verformbaren Kühler und einen flachen Halbleiterbaustein aufweist, wobei der flache Halbleiterbaustein zwischen den Kühlern angeordnet ist. Der verformbare Kühler weist ein verformbares Element aus einer dünnen Metallplatte auf, welches eine Kühlmittelkammer bedeckt. Das Halbleitermodul weist eine Einklemm-einrichtung auf, die bewirkt, dass der ortsfeste Kühler in Richtung des verformbaren Kühlers gepresst wird. Befestigungsjustierungsschrauben der Einklemmeinrichtung bewirken, dass sich ein Anpressrahmen einem Kühlkörper des verformbaren Kühlers nähert. Deshalb wird der Halbleiterbaustein über den ortsfesten Kühler gepresst und das verformbare Element leicht verformt. Dies erhöht einen Kontaktierungsgrad zwischen dem Halbleiterbaustein und dem verformbaren Element über ein isolierendes Element.
Weiter ist aus der US 2007/0097627 A1 eine elektronische Anordnung bekannt, welche ein Substrat und wenigstens eine elektrische Packung aufweist, die auf dem Substrat gehalten wird.
In der EP 0 841 843 B1 ist ein Leistungsmodul offenbart, welches eine Leistungsstufe mit einer Leistungshalbleiterschaltung, vorgesehen auf einem Halbleitersubstrat, aufweist. Des Weiteren weist das Leistungsmodul eine Kühlvorrichtung auf. Ein gemeinsames Gehäuse umgibt die Leistungsstufe und eine Steuervorrichtung.
Des Weiteren ist aus der EP 1 742 264 A2 ein monolithisches Leistungsmodul mit einer Fluidkühlung bekannt, aufweisend eine Kühlplatte mit wenigstens einem darauf befestigten Substrat und ein Kühlmodul, das ausgebildet ist, einen Fluidstrom über einer zu kühlende Oberfläche zu verteilen. Die Kühlplatte und das Kühlmodul sind durch Rotationsreibschweißen zusammengefügt.
In der JP 2007 084 040 A ist ein Gehäuse für eine elektronische Schaltung offenbart, welches eine Metallbasis aufweist mit einer offenen Oberseite und einen Metalldeckel. Die Basis und der Metalldeckel werden beide luftdicht verschlossen durch eine Rotationsreibschweißzone.
Außerdem ist aus der US 6 552 911 B1 ein elektrisches Gerät bekannt, das ein aus mindestens zwei Gehäuseteilen bestehendes Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete elektrische Schaltung aufweist. Es ist eine am Gehäuse befestigbare Anschlussvorrichtung für die Spannungs-versorgung des Geräts und/oder die Signalübertragung zu der elektronischen Schaltung vorhanden, wobei die Gehäuseteile an einer Fügekante mittels Laserschweißen aneinander gefügt werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Vorrichtung für ein Leistungsmodul zur Verwendung in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Leistungsmodul weist ein Leistungselektroniksubstrat und einen ersten Kunststoffrahmen auf, der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen. Ein zweiter Kunststoffrahmen ist ausgestaltet, das Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen. Der erste Kunststoffrahmen und der zweite Kunststoffrahmen sind ausgestaltet, zusammen verbunden zu werden, um das Leistungselektroniksubstrat zu stützen. Das Leistungselektroniksubstrat ist zwischen dem ersten Kunststoffrahmen und dem zweiten Kunststoffrahmen derart angeordnet, dass eine Abdichtung zwischen dem ersten Kunststoffrahmen und dem Leistungselektroniksubstrat ausgebildet wird, wenn der erste Kunststoffrahmen und der zweite Kunststoffrahmen zusammen verbunden werden, wobei der erste Kunststoffrahmen und der zweite Kunststoffrahmen mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind.
Es wird ein Verfahren zum Konstruieren eines Inverterleistungsmoduls bereitgestellt. Das Verfahren weist ein Ausfluchten eines Leistungselektroniksubstrats zwischen einem ersten Kunststoffrahmen und einem zweiten Kunststoffrahmen auf. Der erste Kunststoffrahmen und der zweite Kunststoffrahmen sind ausgestaltet, das Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen. Das Verfahren weist ferner ein Zusammenpressen des ersten Kunststoffrahmens und des zweiten Kunststoffrahmens, um eine Abdichtung zwischen dem ersten Kunststoffrahmen und dem Leistungselektroniksubstrat auszubilden, und ein Verbinden des ersten Kunststoffrahmens und des zweiten Kunststoffrahmens mittels eines Laserschweißverfahrens auf.
Es wird eine Vorrichtung für ein Invertermodul bereitgestellt. Das Invertermodul weist ein Leistungselektroniksubstrat auf. Ein erster Stützrahmen ist ausgestaltet, das Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen, und hat einen ersten Bereich, der ausgestaltet ist, ein direktes Kühlen des Leistungselektroniksubstrats zu ermöglichen. Eine Dichtung ist zwischen dem Leistungselektroniksubstrat und dem ersten Stützrahmen eingeschoben. Die Dichtung ist derart konfiguriert, eine Abdichtung zwischen dem ersten Bereich und dem Leistungselektroniksubstrat bereitzustellen. Ein zweiter Stützrahmen ist ausgestaltet, das Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen, und ist mit dem ersten Stützrahmen verbunden, um die Abdichtung auszubilden, wobei der erste Kunststoffrahmen und der zweite Kunststoffrahmen mittels eines Laserschweißverfahrens verbunden sind.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, die unten in der ausführlichen Beschreibung weiterbeschrieben sind. Mit dieser Zusammenfassung wird es weder beabsichtigt, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist es beabsichtigt, sie als eine Hilfe zum Ermitteln des Rahmens des beanspruchten Gegenstands zu verwenden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstands kann unter Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung und Ansprüche abgeleitet werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, wobei ähnliche Bezugsnummern sich in allen Figuren auf ähnliche Elemente beziehen.
1 ist eine Perspektive auf ein beispielhaftes Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Explosionsperspektive des Leistungsmoduls der 1 gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Draufsicht auf das Leistungsmodul der 1 gemäß einer Ausführungsform;
4 ist ein Seitenquerschnitt des Leistungsmoduls der 1 bis 3 entlang der Linie 4-4 gemäß einer Ausführungsform; und
5 ist eine Explosionsperspektive eines beispielhaften Inverterleistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist in ihrer Natur mehr illustrativ und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendungen und Verwendungen dieser Ausführungsformen zu beschränken. Das Wort ”beispielhaft”, wie hier verwendet, bedeutet ”als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Illustration dienend”. Jede Umsetzungen, die hierin als beispielhaft beschrieben wird, ist nicht notwendiger Weise als vorgezogen oder vorteilhaft im Hinblick auf weitere Umsetzungen konstruiert. Darüber hinaus besteht keine Absicht, an jede ausdrückliche oder stillschweigende Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung präsentiert ist.
Zusätzlich kann in der folgenden Beschreibung eine bestimmte Terminologie nur zum Zwecke der Bezugnahme verwendet werden und ist somit nicht als beschränkend gedacht. Zum Beispiel beziehen sich solche Begriffe wie ”obere (–r/–s)”, ”untere (–r/–s)”, ”oberste (–r/s)” und ”unterste (–r/–s)” auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die der Bezug gemacht wird. Solche Terminologie kann die speziell oben genannten Wörter, deren Derivative und Wörter von ähnlicher Bedeutung enthalten. Auf eine ähnliche Weise implizieren die Begriffe ”erste (–r/–s)”, ”zweite (–r/–s)” und weitere solche numerische Begriffe, die sich auf Strukturen beziehen, nicht eine Sequenz oder Reihenfolge, wenn nicht eindeutig durch den Kontext angegeben.
Die hier beschriebenen Technologien und Konzepte beziehen sich allgemein auf Leistungsmodule, die zur direkten Substratkühlung ausgestaltet sind. Kunststoffstützrahmen sind ausgestaltet, ein Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen, und bilden eine Abdichtung um zumindest einen Bereich des Leistungselektroniksubstrats aus, um eine direkte Kühlung einer freiliegenden Oberfläche des Substrats zu erlauben. Querstützen und/oder interne Verbindungen können eingesetzt werden, um eine zusätzliche strukturelle Starrheit über die Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats bereitzustellen, um eine direkte Substratkühlung des Leistungselektroniksubstrats von einer oder mehreren Seiten des Leistungsmoduls wie gewünscht zu ermöglichen.
Nun Bezug auf die 1 bis 4 nehmend enthält ein Leistungsmodul 100 in einer beispielhaften Ausführungsform ohne Beschränkung ein Leistungselektroniksubstrat 102, einen ersten Stützrahmen 104, einen zweiten Stützrahmen 106 und ein Dichtungselement 108. Es sollte klar sein, dass aus Gründen der Klarheit und Einfachheit der Erklärung die 1 bis 4 eine vereinfachte Darstellung des Leistungsmoduls 100 zeigen und nicht dazu dienen sollen, den Rahmen des Gegenstands auf irgendeine Weise einzuschränken. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungselektroniksubstrat 102 in einem inneren Bereich 110 angeordnet, der durch die Stützrahmen 104, 106 definiert ist. Das Dichtungselement 108 ist zwischen dem ersten Stützrahmen 104 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 eingeschoben. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 ausgestaltet, miteinander verbunden zu werden, um eine Abdichtung zwischen dem Leistungselektroniksubstrat 102 und die Stützrahmen 104, 106 auszubilden und eine Verformung des Leistungselektroniksubstrats 102 in Gegenwart von direkten Substratkühlungsverfahren zu reduzieren wie unten detaillierter beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 miteinander derart verbunden, dass eine Druckabdichtung zwischen den Stützrahmen 104, 106 und dem Leistungselektroniksubstrat aufrechterhalten wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungselektroniksubstrat 102 als ein direkt gebondetes Kupfersubstrat (englisch: ”direct bonded copper (DBC) substrat”) realisiert. In einer solchen Ausführungsform hat das Leistungselektroniksubstrat 102 eine geätzte Kupferdeckschicht mit elektrischen Leiterbahnen und/oder Konnektivität (z. B. elektrisch heiß), eine nicht leitende mittlere Schicht, die ein Keramikmaterial aufweist, und eine andere Kupferdeckschicht, die geätzt oder nicht geätzt, oder elektrisch verbunden (z. B. elektrisch kalt) sein kann. In alternativen Ausführungsformen können andere geeignete Substratmaterialien verwendet werden, solche wie zum Beispiel Direktbindungsaluminium (englisch: ”direct bond aluminum” (DBA)), isoliertes Metallsubstrat (englisch: ”insulated metal substrate” (IMS)) oder blanker Kupfer wie es auf dem technischen Gebiet verstanden wird. In einer beispielhaften Ausführungsform hat das Leistungselektroniksubstrat 102 eine elektrisch heiße Oberfläche, die elektrische Leiterbahnen und Schaltung für einen Leistungsinverter, solchen wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: ”insulated-gate bipolar transistor” (IGBT)), und andere geeignete Elemente aufweist. Wie unten beschrieben, ist in einer beispielhaften Ausführungsform zumindest ein Teil der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 einem Kühlmittel und/oder Kühlungsmechanismen ausgesetzt, die sich benachbart und/oder nahe zu einem entsprechenden Stützrahmen 104, 106 befinden.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 ausgestaltet, das Leistungselektroniksubstrat 102 aufzunehmen. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 derart konfiguriert, dass der innere Bereich 110 das Leistungselektroniksubstrat 102 aufnimmt und/oder im Wesentlichen umschließt und ein Verändern der Lage des Leistungselektroniksubstrats 102 im Bezug auf die Stützrahmen 104, 106 beschränkt, wenn die Stützrahmen 104, 106 verbunden sind. Der innere Bereich 110 wie hierin verwendet sollte als die Fläche oder der Raum verstanden werden, die/der zwischen den Stützrahmen 104, 106 platziert ist und/oder von den Stützrahmen 104, 106 begrenzt ist, wenn die Stützrahmen 104, 106 miteinander in Kontakt sind. Wie in 2 und in 4 zum Beispiel gezeigt kann der entsprechende Stützrahmen 104, 106 eine Stützeinrichtung umfassen, solche wie eine Nase oder Vorsprung, die in dem Stützrahmen 104, 106 ausgebildet ist, um die Umfassung des Leistungselektroniksubstrats 102 konfiguriert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 als Spritzgussteile aus Kunststoff realisiert, die ausgestaltet sind, derart verbunden zu werden, dass die Stützrahmen 104, 106 dem Leistungsmodul 100 eine mechanische Haltbarkeit und/oder dem Leistungselektroniksubstrat 102 eine Stütze bieten. Gemäß einer Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 ausgestaltet, durch Laserschweißen verbunden zu werden wie unten beschrieben.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfassen und/oder definieren die entsprechenden Stützrahmen 104, 106 Einwirkungsbereiche 112, 114, die ausgestaltet sind, Zugriff auf und/oder direktes Kühlen von Teilen des Leistungselektroniksubstrats 102 zu erlauben, im Wesentlichen mit den Bereichen 112, 114 fluchtend. Die Einwirkungsbereiche 112, 114 können als Durchführungen oder Hohlräume in den Stützrahmen 104, 106 umgesetzt werden, die dem Kühlmittel oder direkten Substratkühlungsverfahren erlauben, mit einer Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 gekoppelt zu sein, die im Wesentlichen mit den Bereichen 112, 114 ausgefluchtet ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform bieten die Stützrahmen 104, 106 eine strukturelle Starrheit über das Leistungselektroniksubstrat 102, um eine Verformung in der Gegenwart von direkten Substratkühlungsverfahren zu reduzieren oder zu verhindern. In diesem Zusammenhang können die entsprechenden Stützrahmen 104, 106 Querstützen 116, 118 umfassen, welche die Einwirkungsbereiche 112, 114 kreuzen, um eine zusätzliche strukturelle Starrheit und eine verteilte Stütze über das Leistungselektroniksubstrat 102 zu bieten. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Querstützen 116, 118 in dem entsprechenden Stützrahmen 104, 106 ausgebildet. In dem Falle der als Spritzgussteile aus Kunststoff realisierten Stützrahmen 104, 106 können die Querstützen 116, 118 zum Beispiel in der Gussform definiert werden, die für den entsprechenden Stützrahmen 104, 106 verwendet wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 derart ausgestaltet, dass eine Abdichtung um die Einwirkungsbereiche 112, 114 ausgebildet wird, wenn die Stützrahmen 104, 106 verbunden werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Dichtungselement 108 mit dem Einwirkungsbereich 112 des ersten Stützrahmens 104 ausgefluchtet und ist konfiguriert, eine Abdichtung zwischen dem Leistungselektroniksubstrat 102 und den Stützrahmen 104, 106 um die Einwirkungsbereiche 112, 114 auszubilden.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Dichtungselement 108 im Wesentlichen mit der Umfassung des Einwirkungsbereichs 112 des ersten Stützrahmens 104 ausgefluchtet. Wie am besten in 2 gezeigt hat das Dichtungselement 108 eine allgemein rechteckförmige äußere Umfassung, die einer rechteckförmigen Stützeinrichtung entspricht, solcher wie einem Vorsprung oder einer Nase, die in dem ersten Stützrahmen 104 ausgebildet ist. Es sollte klar sein, dass, obwohl die 1 bis 4 im Rahmen der allgemein rechteckförmigen Einrichtungen beschrieben werden kann, der hierin beschriebene Gegenstand nicht auf eine bestimmte geometrische Ausgestaltung beschränkt ist. Das Dichtungselement 108 kann auch Querträger umfassen, die im Wesentlichen mit Querstützen 116 ausgefluchtet sind. In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann das Dichtungselement 108 als eine Pressdichtung, ein O-Ring, ein Kronkorken, eine Flüssigkeitsdichtung oder eine andere geeignete mechanische Dichtung umgesetzt sein, die in der Lage ist, ein Eindringen einer Flüssigkeit zu einzudämmen und/oder zu verhindern, wie es auf dem Gebiet der Technik verstanden wird. Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement 108 ausgebildet, mit dem Stützrahmen 104 verblockt zu sein (z. B. eine Gussform-in-der-Stelle Dichtung) wie unten beschrieben. Es versteht sich, dass in alternativen Ausführungsformen, obwohl nicht gezeigt, ein zweites Dichtungselement zwischen dem Leistungselektroniksubstrat 102 und dem zweiten Stützrahmen 106 auf eine ähnliche Weise wie hierin in dem Kontext des Dichtungselements 108 beschrieben eingeschoben werden kann. Daher versteht es sich, dass, obwohl das Leistungsmodul 100 hierin im Hinblick auf ein Aufweisen eines individuellen Dichtungselements 108 zwischen dem ersten Stützrahmen 104 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 beschrieben wird, eine solche Beschreibung als auf gleiche Weise auf alternative Ausführungsformen anwendbar zu verstehen sein sollte, die ein zweites Dichtungselement berücksichtigen, das zwischen dem zweiten Tragrahmen 106 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 eingeschoben ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Leistungsmodul 100 durch Verbinden der Stützrahmen 104, 106 ausgebildet werden, um das Leistungselektroniksubstrat 102 zu stützen und/oder einzukapseln. Gemäß einer Ausführungsform sind die Stützrahmen 104, 106 um die oder nahe zu der Umfassung des Leistungselektroniksubstrats 102 verbunden. Die Stützrahmen 104, 106 können auch an einem oder an mehreren inneren Punkten 120 (z. B. entlang der Querstützen 116, 118 innerhalb der Einwirkungsbereiche 112, 114) verbunden werden, um eine verteilte Stütze quer über das Leistungselektroniksubstrat 102 zu bieten. In diesem Zusammenhang kann der erste Stützrahmen 104 einen oder mehrere Stifte 122 umfassen, die durch das Leistungselektroniksubstrat 102 und/oder das Dichtungselement 108 hineinragen, um ein Verbinden der Stützrahmen 104, 106 an inneren Punkten 120, die mit den Stiften 122 ausgefluchtet sind, zu ermöglichen. In einer beispielhaften Ausführungsform umfassen das Leistungselektroniksubstrat 102 und das Dichtungselement 108 Durchführungsbereiche oder innere Hohlräume 124, 126, die konfiguriert sind, mit den Stiften 122 ausgefluchtet zu werden. Es wird auf dem Gebiet der Technik verstanden, dass die Anzahl, Form und Anordnung der Stifte 122 und/oder der inneren Punkte 120 wie gewünscht variieren kann und dass die 1 bis 4 nicht dazu gedacht sind, den Bereich des Gegenstands auf irgendeine Weise zu beschränken.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungsmodul 100 durch Ausfluchten des Leistungselektroniksubstrats 102 zwischen dem ersten Stützrahmen 104 und dem zweiten Stützrahmen 106 konstruiert. Die inneren Hohlräume 126 des Leistungselektroniksubstrats 102 können zum Beispiel mit den Stiften 122 des ersten Stützrahmens 104 ausgefluchtet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtelement 108 auch zwischen dem ersten Stützrahmen 104 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 ausgefluchtet (z. B. durch Ausfluchten der inneren Hohlräume 124 mit den Stiften 122). In einer beispielhaften Ausführungsform sind der erste Stützrahmen 104 und der zweite Stützrahmen 106 zusammengepresst, um eine Abdichtung zwischen den Stützrahmen 104, 106 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 auszubilden. Das Dichtungselement 108 bietet eine Abdichtung zwischen dem ersten Stützrahmen 104 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 um den Einwirkungsbereich 112, wenn der erste Stützrahmen 104 gegen das Leistungselektroniksubstrat 102 gepresst wird. Die gegenwirkende Kraft, die durch Pressen des Dichtungselements 108 verursacht wird, kann eine glatte Schnittstelle zwischen dem Leistungselektroniksubstrat 102 und dem zweiten Stützrahmen 106 ausbilden. In Abhängigkeit von dem Typ des Materials, das für den zweiten Stützrahmen 106 ausgewählt wurde, kann diese glatte Schnittstelle auch eine Abdichtung zwischen dem Leistungselektroniksubstrat 102 und dem zweiten Stützrahmen 106 erzeugen wie es auf dem Gebiet der Technik verstanden wird. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die Stützrahmen 104, 106 während Verdichtung oder unter einer Druckkraft derart verbunden, dass die Abdichtung auf eine unbestimmte Zeit aufrechterhalten wird (z. B. das Leistungsmodul 100 bleibt in einem komprimierten Zustand).
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungsmodul 100 durch Verbinden der Stützrahmen 104, 106 mittels eines Laserschweißverfahrens konstruiert. Das Laserschweißverfahren erstellt Bindungen 130 (z. B. Laserschweißnähten), die Druckkraft auf die Stützrahmen 104, 106 an den Stellen aufrechterhalten, an denen die Stützrahmen 104, 106 in einem direkten Kontakt mit einander stehen. In diesem Zusammenhang, um das Laserschweißen zu ermöglichen, kann der zweite Stützrahmen 106 im Wesentlichen transparent oder transluzent sein, und der erste Stützrahmen 104 kann im Wesentlichen opak sein oder ein dunkler gefärbtes Material aufweisen (z. B. schwarz). In einer solchen Ausführungsform absorbiert das erste Stützrahmen 104 Laserenergie, die durch den zweiten Stützrahmen 106 und/oder die inneren Hohlräume 124, 126 gerichtet ist, derart, dass die Laser-Energie die Verbindungsstelle der Stützrahmen 104, 106 erhitzt und das Kunststoffmaterial in den Stützrahmen 104, 106 erschmilzt, um die Laserschweißnähten 130 zu bilden. In diesem Zusammenhang können die Stützrahmen 104, 106 konfiguriert sein, sich mit der Umfassung des Leistungselektroniksubstrats 102 für das Laserschweißen über die Umfassung des Leistungselektroniksubstrats 102 zu überlappen. In alternativen Ausführungsformen können die Bindungen 130 durch Verbinden der Stützrahmen 104, 106 mittels Ultraschallschweißens, Reibschweißens oder anderer geeigneter Techniken ausgebildet werden. Alternativ können weitere Mittel zur Aufrechterhaltung des Drucks auf die Stützrahmen 104, 106 verwendet werden, um die Abdichtung (z. B. ein Verbindungselement) zu schaffen, ohne ein Zusammenbinden der Stützrahmen 104, 106.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Kühlungsmechanismus mit einem der beiden Stützrahmen 104, 106 oder mit beiden Stützrahmen 104, 106 verbunden werden, um ein direktes Kühlen den Bereichen der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 bereitzustellen, die mit den Einwirkungsbereichen 112, 114 ausgefluchtet sind. Das direkte Kühlen wie hierin verwendet sollte als sich auf die Prozesse und/oder Verfahren beziehend verstanden werden, in denen ein Kühlmittel ist angewendet auf (oder alternativ ein Kühlmittelstrom ist gerichtet auf) eine Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102. In diesem Zusammenhang kann das Kühlmittel einen direkten Kontakt mit dem Leistungselektroniksubstrat 102 ohne jegliche dazwischen liegende Schichten haben. Zum Beispiel kann der Kühlungsmechanismus mit dem Stützrahmen 104 verbunden sein und kann ausgestaltet sein, Strahlaufprallkühlung der freiliegenden Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 nahe zu dem Stützrahmen 104 über den Einwirkungsbereich 112 bereitzustellen. Die Strahlaufprallkühlung sollte als auf den Prozess des Bereitstellens und/oder des Richtens eines Kühlmittelflusses auf die Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 mittels Düsen bezogen verstanden werden. Der Kühlungsmechanismus kann ein dielektrisches Kühlmittel einsetzen und/oder bereitstellen, wenn eine elektrisch heiße Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 gekühlt wird, oder setzt anderenfalls ein weiteres geeignetes Kühlmittel (z. B. ein Radiatorkühlmittel) ein, wenn eine elektrisch kalte Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 gekühlt wird, wie es auf dem technischen Gebiet verstanden wird.
Nun Bezug auf 5 nehmend kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein Inverterleistungsmodul 500 zum direkten Substratkühlen ausgestaltet sein. Das Inverterleistungsmodul 500 umfasst, ohne Einschränkung, ein Leistungselektroniksubstrat 502, einen unteren Stützrahmen 504 und einen oberen Stützrahmen 506. Die Elemente des Inverterleistungsmoduls 500 sind ihren Entsprechungselementen, die in dem oben anhand der 1–4 beschrieben Leistungsmodul 100 vorkommen, ähnlich, und diese gemeinsamen Elemente können hier in dem Kontext des Inverterleistungsmoduls 500 nicht redundant im Einzelnen beschrieben werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der untere Stützrahmen 504 einen oder mehrere Dichtungsmechanismen 508, die mit dem Stützrahmen 504 verblockt sind und um die Umfassung eines oder mehrere Einwirkungsbereiche 512 ausgestaltet sind, zu erlauben, dass ein Bereich der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 502, der mit dem Einwirkungsbereich 512 ausgefluchtet ist, zum Zwecke eines direkten Substratkühlens freiliegend ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungselektroniksubstrat 502 zwischen den Stützrahmen 504, 506 angeordnet, welche wiederum zusammengepresst und verbunden sind, um eine Abdichtung zwischen dem unteren Stützrahmen 504 und dem Leistungselektroniksubstrat 502 um die Einwirkungsbereiche 512 auszubilden. Gemäß einer Ausführungsform sind die Stützrahmen 504, 506 durch eine oder mehrere Bindungen 530 um die Umfassung der Einwirkungsbereiche 512 verbunden.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der untere Stützrahmen 504 eine oder mehrere Öffnungen 540, die für ein direktes Substratkühlen (z. B. Strahlaufprallkühlen) ausgestaltet sind. Ein Kühlmechanismus kann mit dem unteren Stützrahmen 504 verblockt und/oder verbunden sein und derart ausgefluchtet sein, dass der Kühlmechanismus dem Leistungselektroniksubstrat 502 ein Kühlmittel durch die Öffnungen 540 bereitstellt. In diesem Zusammenhang verhindern die Querstützen 518 auf dem oberen Stützrahmen 506 eine Verformung des Leistungselektroniksubstrats 502 nach oben (z. B. in die Richtung des oberen Stützrahmens 506) als ein Ergebnis der Kraft, die durch einen Unterschied in dem Umgebungsdruck über die gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats 502 verursacht wird. Obwohl nicht gezeigt können die Stützrahmen 504, 506 weiter modifiziert werden, um eine direkte Substratkühlung der oberen Seite des Inverterleistungsmoduls 500 (zum Beispiel durch Hinzufügen von Querstützen an den unteren Stützrahmen 504) zu erlauben, wie es auf dem Gebiet der Technik verstanden wird, und 3 ist nicht dazu gedacht, den Rahmen des Gegenstands auf eine jegliche Weise zu beschränken.
Ein Vorteil des oben beschriebenen Systems und/oder Verfahrens ist dass das Leistungselektroniksubstrat ohne die Verwendung eines Kühlkörpers gekühlt werden kann. Das Verwenden von Kunststoffstützrahmen reduziert die Gesamtkosten und das Gewicht des Leistungsmoduls. Die Kunststoffstützrahmen können um die Umfassung des Leistungselektroniksubstrats und an den inneren Punkten verbunden werden, um eine strukturelle Starrheit über dem Substrat bereitzustellen und eine Verformung in beide Richtungen zu vermeiden, welche ansonsten durch direkte Substratkühlungsverfahren verursacht werden kann. Die Stützrahmen können Spritzgussteile aus Kunststoff mit integrierten Dichtungselementen oder Dichtungen sein und sind für Laserschweißen ausgestaltet.

Claims

Ein Leistungsmodul zum Verwenden in einem Fahrzeug, wobei das Leistungsmodul aufweist: ein Leistungselektroniksubstrat (102); einen ersten Kunststoffrahmen (104), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen; und einen zweiten Kunststoffrahmen (106), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) ausgestaltet sind, zusammen verbunden zu werden, um das Leistungselektroniksubstrat (102) zu stützen, wobei das Leistungselektroniksubstrat (102) zwischen dem ersten Kunststoffrahmen (104) und dem zweiten Kunststoffrahmen (106) derart angeordnet ist, dass eine Abdichtung zwischen dem ersten Kunststoffrahmen (104) und dem Leistungselektroniksubstrat (102) ausgebildet wird, wenn der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) zusammenverbunden werden, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungselement ferner ein erstes Dichtungselement (108) aufweist, das zwischen dem Leistungselektroniksubstrat (102) und dem ersten Kunststoffrahmen (104) eingeschoben ist, wobei das erste Dichtungselement (108) konfiguriert ist, die Abdichtung auszubilden.
Leistungsmodul nach Anspruch 2, wobei das erste Dichtungselement (108) mit dem ersten Kunststoffrahmen (104) verblockt ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Leistungsmodul ferner einen Kühlungsmechanismus aufweist, der an den ersten Kunststoffrahmen (104) angrenzt und konfiguriert ist, eine direkte Kühlung einer Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats (102) nahe zu dem ersten Kunststoffrahmen (104) bereitzustellen.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) ausgestaltet sind, an wenigstens einem inneren Punkt (120) innerhalb des Leistungselektroniksubstrats (102) verbunden zu werden, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) wenigstens einen Stift (122) umfasst, der durch das Leistungselektroniksubstrat (102) und/oder das Dichtelement (108) hineinragt, zum Verbinden der Kunststoffrahmen (104, 106) an dem inneren Punkt (120), der mit dem Stift (122) ausgefluchtet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Leistungselektroniksubstrat (102) ein direkt gebondetes Kupfersubstrat ist.
Ein Verfahren zum Konstruieren eines Inverterleistungsmoduls, wobei das Verfahren aufweist: Ausfluchten eines Leistungselektroniksubstrats (102) zwischen einem ersten Kunststoffstützrahmen (104) und einem zweiten Kunststoffstützrahmen (106), wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) ausgestaltet sind, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen; Zusammenpressen des ersten Kunststoffstützrahmens (104) und des zweiten Kunststoffstützrahmens (106), um eine Abdichtung zwischen dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) und dem zweiten Kunststoffstützrahmen (106) auszubilden; und Verbinden des ersten Kunststoffstützrahmens (104) und des zweiten Kunststoffstützrahmens (106) mittels eines Laserschweißverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner ein Verbinden des ersten Kunststoffstützrahmens (104) und des zweiten Kunststoffstützrahmens (106) an wenigstens einem inneren Punkt (120) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren ferner ein Verbinden eines Kühlungsmechanismus an den ersten Kunststoffstützrahmen (104) aufweist, wobei der Kühlungsmechanismus ausgestaltet ist, ein Kühlmittel an eine Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats (102) nahe zu dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) zum Laserschweißen ausgestaltet sind, wobei das Verbinden des ersten Kunststoffstützrahmens (104) und des zweiten Kunststoffstützrahmens (106) ein Zusammenschweißen des ersten Kunststoffstützrahmens (104) und des zweiten Kunststoffstützrahmens (106) mittels eines Lasers aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Verfahren ferner ein Ausfluchten eines Dichtungselements (108), das zwischen dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) und dein Leistungselektroniksubstrat (102) eingeschoben ist, vor dem Schritt des Zusammenpressens aufweist, wobei das Dichtungselement (108) eine Abdichtung zwischen dem Leistungselektroniksubstrat (102) und dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) ausbildet, wenn der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) zusammengepresst werden.
Ein Invertermodul, das aufweist: ein Leistungselektroniksubstrat (102); einen ersten Kunststoffstützrahmen (104), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen, wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) einen ersten Bereich hat, der ausgestaltet ist, ein direktes Kühlen des Leistungselektroniksubstrats (102) zu erlauben; eine Dichtung (108), die zwischen dem Leistungselektroniksubstrat (102) und dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) eingeschoben ist, wobei die Dichtung (108) konfiguriert ist, eine Abdichtung zwischen dem ersten Bereich und dem Leistungselektroniksubstrat (102) bereitzustellen; und einen zweiten Kunststoffstützrahmen (106), der ausgestaltet ist, das Leistungselektroniksubstrat (102) aufzunehmen, wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) verbunden sind, um die Abdichtung auszubilden, wobei der erste Kunststoffrahmen (104) und der zweite Kunststoffrahmen (106) mittels eines Laserschweißverfahrens verbunden sind.
Invertermodul nach Anspruch 12, wobei das Leistungselektroniksubstrat (102) eine Vielzahl an inneren Hohlräumen hat, wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) an Stellen verbunden sind, die mit der Vielzahl an inneren Hohlräumen ausgefluchtet sind.
Invertermodul nach Anspruch 13, wobei der erste Kunststoffstützrahmen (104) eine Vielzahl an Stiften (122) aufweist, die konfiguriert sind, durch die Vielzahl der inneren Hohlräume hinauszuragen.
Invertermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Invertermodul ferner einen Kühlungsmechanismus aufweist, der an den ersten Kunststoffstützrahmen (104) angrenzt, wobei der Kühlungsmechanismus konfiguriert ist, eine Strahlaufprallkühlung einer Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats (102) bereitzustellen, die mit dem ersten Bereich ausgefluchtet ist.
Invertermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der zweite Kunststoffstützrahmen (106) einen zweiten Bereich hat, der ausgestaltet ist, ein direktes Kühlen des Leistungselektroniksubstrats (102) zu erlauben, wobei das Invertermodul ferner einen zweiten Kühlungsmechanismus aufweist, der an den zweiten Kunststoffstützrahmen (104) angrenzt, wobei der zweite Kühlungsmechanismus konfiguriert ist, ein direktes Kühlen an eine Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats (102) bereitzustellen, die mit dem zweiten Bereich ausgefluchtet ist.
Invertermodul nach Anspruch 16, das eine zweite Dichtung aufweist, die zwischen dem Leistungselektroniksubstrat (102) und dem zweiten Kunststoffstützrahmen (106) eingeschoben ist, wobei die zweite Dichtung konfiguriert ist, eine zweite Abdichtung zwischen dem zweiten Bereich und dem Leistungselektroniksubstrat (102) bereitzustellen, wenn der erste Kunststoffstützrahmen (104) und der zweite Kunststoffstützrahmen (106) verbunden sind.
Invertermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Leistungselektroniksubstrat (102) ein direkt gebondetes Kupfersubstrat ist.
Invertermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Dichtung mit dem ersten Kunststoffstützrahmen (104) verblockt ist.