DE102012201885A1 - Elektrisches Leistungsmodul - Google Patents

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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungsmodul (10), einem DCB-Substrat (12), mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das mit dem DCB-Substrat (12) elektrisch gekoppelt ist, einem Kühlkörper (30), der mit dem DCB-Substrat (12) fest gekoppelt ist, und einer Ansteuervorrichtung (40), die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16). Die Ansteuervorrichtung (40) und der Kühlkörper (30) sind mittels einer zwischen der Ansteuervorrichtung (40) und dem Kühlkörper (30) angeordneten Kopplungsschicht (50) fest miteinander gekoppelt. Die Kopplungsschicht (50) ist ausgebildet zur elektrischen Isolation der Ansteuervorrichtung (40) von dem Kühlkörper (30) und zur wärmeleitenden Kopplung der Ansteuervorrichtung (40) mit dem Kühlkörper (30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungsmodul.
  • Elektrische Leistungsmodule können beispielsweise DCB-Substrate („Direktgebundende Kupfer-Substrate“ oder „Direkt bondierte Kupfer-Substrate“, auf Englisch „Direct-Copper-Bonded-Substrat“) aufweisen. Vorzugsweise werden elektronische Bauelemente mit einer Seite flächig auf die DCB-Substrate aufgebracht. Bei DCB-Substraten wird insbesondere eine Kupferfolie auf eine Keramik aufgebracht, vorzugsweise aufgewalzt. Elektrische Leistungsmodule mit DCB-Substraten, auf denen elektronische Bauelemente aufgebracht sind, erfordern eine gute Kühlung, um eine hohe Zuverlässigkeit bei elektrischer und thermischer Beanspruchung insbesondere über eine große Zahl von Betriebszyklen hinweg zu erreichen. Bei derartigen Zyklen können thermische Lastwechsel insbesondere zwischen sehr niedrigen Temperaturen (beispielsweise –40 °C) und sehr hohen Temperaturen (beispielsweise mehr als 100 °C) auftreten.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist, ein elektrisches Leistungsmodul zu schaffen, das eine lange Lebensdauer hat.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein elektrisches Leistungsmodul, mit einem DCB-Substrat, mindestens einem elektronischen Bauelement, das mit dem DCB-Substrat elektrisch gekoppelt ist, einem Kühlkörper, der mit dem DCB-Substrat fest gekoppelt ist, und einer Ansteuervorrichtung, die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements. Die Ansteuervorrichtung und der Kühlkörper sind mittels einer zwischen der Ansteuervorrichtung und dem Kühlkörper angeordneten Kopplungsschicht fest miteinander gekoppelt. Die Kopplungsschicht ist ausgebildet zur elektrischen Isolation der Ansteuervorrichtung von dem Kühlkörper und zur wärmeleitenden Kopplung der Ansteuervorrichtung mit dem Kühlkörper.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Kühlung der Ansteuervorrichtung möglich ist. Des Weiteren ist ein flacher Aufbau aus der Ansteuervorrichtung und dem Kühlkörper möglich. Darüber hinaus kann die Ansteuervorrichtung schwingungsarm an dem Kühlkörper angeordnet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kopplungsschicht einseitig oder beidseitig klebend ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders sichere Kopplung der Kopplungsschicht mit der Ansteuervorrichtung und/oder dem Kühlkörper möglich ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kopplungsschicht als Klebefolie ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders einfache Kopplung der Kopplungsschicht mit der Ansteuervorrichtung und/oder dem Kühlkörper möglich ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kopplungsschicht ein Material auf, das ein Polyimid umfasst. Dies hat den Vorteil, dass Polyimid eine gute Wärmeleitung bei guter elektrischer Isolation ermöglicht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das mindestens eine elektronische Bauelement auf einer weiteren Seite Kontaktelemente auf, und mindestens ein Stanzgitter ist auf der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements angeordnet und mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements direkt elektrisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass ein niederinduktiver Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls möglich ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines elektrisches Leistungsmoduls,
  • 2 eine weitere perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls,
  • 3 eine perspektivische Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls,
  • 4 eine weitere perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls,
  • 5 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls,
  • 6 eine Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls in einer Aufsicht,
  • 7 eine weitere Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls in einer Aufsicht, und
  • 8 eine weitere Darstellung des elektrischen Leistungsmoduls in einer Aufsicht.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 bis 8 zeigen ein elektrisches Leistungsmodul 10. Das elektrische Leistungsmodul 10 hat ein DCB-Substrat 12 (DCB-Substrat). Das DCB-Substrat 12 hat elektrische Leiterelemente 12a.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10 hat weiter elektronische Bauelemente 14, 16. Die elektronischen Bauelemente 14, 16 sind vorzugsweise ungehäuste elektronische Bauelemente, insbesondere ungehäuste Leistungsbauelemente oder ungehäuste Leistungshalbleiterbauelemente, an denen insbesondere hohe elektrische Spannungen anliegen können. Dies betrifft insbesondere ungehäuste elektronische Bauelemente der Hochleistungselektronik, insbesondere IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistoren), Dioden und dergleichen. In den Figuren sind insbesondere als IGBT ausgebildete elektronische Bauelemente 14 und als Dioden ausgebildete Bauelemente 16 gezeigt. Die elektronischen Bauelemente 14, 16 können jedoch in alternativen Ausführungsformen auch weitere bekannte elektronische Bauelemente sein. Die elektronischen Bauelemente 14, 16 sind mit dem DCB-Substrat 12 elektrisch gekoppelt. Vorzugsweise sind die elektronischen Bauelemente 14, 16 in Flip-Chip-Technik mit dem DCB-Substrat 12 elektrisch gekoppelt.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10 weist weiter Stanzgitter 18 auf. Die Stanzgitter 18 sind vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch leitenden Material gebildet oder weisen ein derartiges Material auf. Mittels der Stanzgitter 18 ist ein niederinduktiver Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 möglich.
  • Wie insbesondere in 2 dargestellt, sind auf einer Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 Kontaktelemente 20 angeordnet. Die Stanzgitter 18 sind mit den Kontaktelementen 20 der elektronischen Bauelemente 14, 16 direkt elektrisch gekoppelt (2). Mittels der Stanzgitter 18 kann auf einen Modulrahmen, wie er im Fall eines Einsatzes von Bonddrähten zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente 14, 16 erforderlich sein kann, verzichtet werden. Die Stanzgitter 18 weisen Befestigungs- und/oder Anschlussstifte 22 auf, mittels denen die Stanzgitter 18 positioniert und befestigt oder mittels denen elektrische Signale über die Stanzgitter 18 übertragen werden können. Die Stanzgitter 18 weisen weiter Öffnungen 24 auf.
  • Die Stanzgitter 18 sind mit Stromversorgungsanschlusselementen 26 elektrisch gekoppelt. Die Stromversorgungsanschlusselemente 26 können beispielsweise als Batterieanschlusselemente ausgebildet sein. Die Stanzgitter 18 sind weiter mit Ausgangsanschlusselementen 28 elektrisch gekoppelt. Die Ausgangsanschlusselemente 28 können beispielsweise als Phasenanschlusselemente für den Betrieb einer elektrischen Maschine ausgebildet sein.
  • Die Stanzgitter 18 sind vorzugsweise mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen 20 des Bauelements 14, 16 gekoppelt. Damit ist eine besonders einfache und sichere Kontaktierung der Stanzgitter 18 mit den Kontaktelementen 20 der Bauelemente 14, 16 möglich.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10, wie es in den 3 bis 7 dargestellt ist, hat drei DCB-Substrate 12. Das elektrische Leistungsmodul 10 weist weiter einen Kühlkörper 30 auf. Der Kühlkörper 30 ist im Wesentlichen flächig ausgebildet. Der Kühlkörper 30 hat eine Ausnehmung 32. Die DCB-Substrate 12 und die elektronischen Bauelemente 14, 16 sind in der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 angeordnet. Die DCB-Substrate 12 sind direkt mit dem Kühlkörper 30 gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper 30 Einlegeelemente 34 auf (4). Die Einlegeelemente 34 sind vorzugsweise einstückig mit dem Kühlkörper 30 ausgebildet. Die Einlegeelemente 34 weisen vorzugsweise AlSiC auf oder bestehen aus AlSiC. Ein derartiges Einlegeelement 34 hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen an das DCB-Substrat 12 angepassten Ausdehnungskoeffizienten, so dass Wärme besonders gut von dem DCB-Substrat 12 abgeführt werden kann.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10 weist eine Ansteuervorrichtung 40 auf. Die Ansteuervorrichtung 40 ist als Ansteuerplatine ausgebildet. Die als Ansteuerplatine ausgebildete Ansteuervorrichtung 40 ist in der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 angeordnet. Die als Ansteuerplatine ausgebildete Ansteuervorrichtung 40 hat Ausnehmungen, in denen die DCB-Substrate 12 und die elektronischen Bauelemente 14, 16 angeordnet sind. Mittels der Ansteuervorrichtung 40 können elektronische Bauelemente, vorzugsweise die mit den DCB-Substraten 12 elektrisch gekoppelten elektronischen Bauelemente 14, 16 angesteuert werden.
  • Zwischen der als Ansteuerplatine ausgebildeten Ansteuervorrichtung 40 und dem im Wesentlichen flächig ausgebildeten Kühlkörper 30 ist eine Kopplungsschicht 50 angeordnet. Mittels der Kopplungsschicht 50 sind die Ansteuervorrichtung 40 und der Kühlkörper 30 fest miteinander gekoppelt. Mittels der Kopplungsschicht 50 kann die Ansteuervorrichtung 40 elektrisch von dem Kühlkörper 30 isoliert werden. Des Weiteren kann die Ansteuervorrichtung 40 mittels der Kopplungsschicht 50 mit dem Kühlkörper 30 Wärme leitend gekoppelt werden. Damit kann in der Ansteuervorrichtung 40 anfallende Wärme über die Kopplungsschicht 50 und den Kühlkörper 30 abgeführt werden.
  • Vorzugsweise ist die Kopplungsschicht 50 einseitig oder beidseitig klebend ausgebildet. Bevorzugt ist die Kopplungsschicht 50 als Klebefolie ausgebildet. Die Klebefolie wird vorzugsweise blasenfrei auf die Ansteuervorrichtung 40 und den Kühlkörper 30 aufgebracht. Damit kann die Kopplungsschicht 50 in einfacher Weise sowohl auf die als Ansteuerplatine ausgebildete Ansteuervorrichtung 40 als auch auf den im Wesentlichen flächig ausgebildeten Kühlkörper 30 aufgebracht werden. Damit können die Ansteuervorrichtung 40 und der Kühlkörper 30 in einfacher Weise fest miteinander gekoppelt werden. Umfasst die Kopplungsschicht 50 ein Polyimid oder besteht diese aus einem Polyimid, so kann insbesondere die Kopplungsschicht 50 eine gute Wärmeleitung bei guter elektrischer Isolation haben.
  • Ein Vorteil eines derartigen elektrischen Leistungsmoduls 10 ist insbesondere, dass eine effektive und zuverlässige Kühlung der Ansteuervorrichtung 40 über den Kühlkörper 30 möglich sein kann. Des Weiteren kann die Ansteuervorrichtung 40 schwingungsarm an dem Kühlkörper 30 angeordnet sein. Da die Ansteuervorrichtung 40 sowie das DCB-Substrat 12 und die elektronischen Bauelemente 14, 16 zusammen mit den Stanzgittern 18 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, kann darüber hinaus ein sehr flacher Aufbau der Ansteuervorrichtung 40 mit dem Kühlkörper 30 und damit des gesamten elektrischen Leistungsmoduls 10 erreicht werden. Die Anordnung der Ansteuervorrichtung 40, des DCB-Substrats 12 und der elektronischen Bauelemente 14, 16 zusammen mit den Stanzgittern 18 in einer gemeinsamen Ebene ermöglicht außerdem, dass die Anschlüsse zur elektrischen Kopplung des elektrischen Leistungsmoduls 10 in einer Ebene angeordnet sein können.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10 weist eine Controller-Platine 60 auf. Die Controller-Platine 60 weist vorzugsweise einen Prozessor oder mehrere Prozessoren, Logikbausteine, Sicherheitselemente und Sensoren auf. Des Weiteren hat die Controller-Platine 60 vorzugsweise einen Gerätestecker 64 zur elektrischen Kopplung des elektrischen Leistungsmoduls 10 mit anderen elektrischen Vorrichtungen. Die Controller-Platine 60 ist mittels Schraubelementen 38 mechanisch mit dem Kühlkörper 30 gekoppelt (3 bis 5). Die Schraubelemente 38 greifen dabei in entsprechend ausgebildete Öffnungen des Kühlkörpers 30 ein. Die Controller-Platine 60 ist mittels eines Steckverbinders 62 mit der als Steuerplatine ausgebildeten Ansteuervorrichtung 40 elektrisch gekoppelt (3 und 4).
  • Ein weiterer Vorteil eines derartigen elektrischen Leistungsmoduls 10 ist, dass durch die Anordnung der Ansteuervorrichtung 40, des DCB-Substrats 12 und der elektronischen Bauelemente 14, 16 zusammen mit den Stanzgittern 18 in einer gemeinsamen Ebene und der Controller-Platine 60 in einer weiteren Ebene der Gesamtaufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 als Zwei-Ebenen-Lösung ausgebildet sein kann. Damit kann ein besonders flacher Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 erreicht werden. Damit kann Bauraum eingespart werden. Des Weiteren können durch den flachen Aufbau die Resonanzschwingungen des elektrischen Leistungsmoduls 10 klein gehalten werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Elektrisches Leistungsmodul
    12
    DCB-Substrat
    12a
    elektrische Leiterelemente von 12
    14
    elektronisches Bauelement (IGBT)
    16
    elektronisches Bauelement (Diode)
    18
    Stanzgitter
    20
    Kontaktelement von 14, 16
    22
    Befestigungs-, Anschlussstifte
    24
    Öffnung in 18
    26
    Stromversorgungsanschlusselement
    28
    Ausgangsanschlusselement
    30
    Kühlkörper
    32
    Ausnehmung in 30
    34
    Einlegeelement in 30
    38
    Schraubelemente
    40
    Ansteuervorrichtung
    50
    Kopplungsschicht
    60
    Controller-Platine
    62
    Steckverbinder
    64
    Gerätestecker

Claims (5)

  1. Elektrisches Leistungsmodul (10), mit – einem DCB-Substrat (12), – mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das mit dem DCB-Substrat (12) elektrisch gekoppelt ist, – einem Kühlkörper (30), der mit dem DCB-Substrat (12) fest gekoppelt ist, und – einer Ansteuervorrichtung (40), die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16), wobei die Ansteuervorrichtung (40) und der Kühlkörper (30) mittels einer zwischen der Ansteuervorrichtung (40) und dem Kühlkörper (30) angeordneten Kopplungsschicht (50) fest miteinander gekoppelt sind, und die Kopplungsschicht (50) ausgebildet ist zur elektrischen Isolation der Ansteuervorrichtung (40) von dem Kühlkörper (30) und zur wärmeleitenden Kopplung der Ansteuervorrichtung (40) mit dem Kühlkörper (30).
  2. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsschicht (50) einseitig oder beidseitig klebend ausgebildet ist.
  3. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Kopplungsschicht (50) als Klebefolie ausgebildet ist.
  4. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungsschicht (50) ein Material aufweist, das ein Polyimid umfasst.
  5. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine elektronische Bauelement (14, 16) Kontaktelemente (20) aufweist, und mindestens ein Stanzgitter (18) mit den Kontaktelementen (20) des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5942797A (en) * 1996-04-02 1999-08-24 Fuji Electric Co. Ltd. Power semiconductor module
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