DE102012201889A1 - Elektrisches Leistungsmodul und Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls - Google Patents

Elektrisches Leistungsmodul und Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls Download PDF

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Abstract

Elektrisches Leistungsmodul (10), mit mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente (20a, 20b) zur elektrischen Kopplung aufweist, einem DCB-Substrat (12), das elektrische Leiterelemente (12a) aufweist, die mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch gekoppelt sind, und mindestens einem Stanzgitter (18). Das mindestens eine Stanzgitter (18) ist derart angeordnet und ausgebildet, dass es mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungsmodul und ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls.
  • Elektrische Leistungsmodule weisen beispielsweise DCB-Substrate („Direktgebundende Kupfer-Substrate“ oder „Direkt bondierte Kupfer-Substrate“, auf Englisch „Direct-Copper-Bonded-Substrat“) auf. 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. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein elektrisches Leistungsmodul, mit mindestens einem elektronischen Bauelement, das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente zur elektrischen Kopplung aufweist, einem DCB-Substrat, das elektrische Leiterelemente aufweist, die mit den Kontaktelementen der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements elektrisch gekoppelt sind, und mindestens einem Stanzgitter. Das mindestens eine Stanzgitter ist derart angeordnet und ausgebildet, dass es mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements direkt elektrisch gekoppelt ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass mittels der Stanzgitter elektrische Kopplungen zu dem mindestens einen elektronischen Bauelement realisiert werden und damit Bondverbindungen entfallen können. Damit ist ein sehr stabiler Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls möglich. Des Weiteren kann mittels der Stanzgitter eine hohe mechanische Stabilität des elektrischen Leistungsmoduls erreicht werden, und damit kann ein Modulrahmen für das elektrische Leistungsmodul entfallen. Dadurch können zum einen geringe Kosten für das elektrische Leistungsmodul erreicht werden, zum anderen kann der Gesamtaufbau des elektrischen Leistungsmoduls sehr flach ausgebildet sein. Durch die direkte Kopplung der Stanzgitter mit den Kontaktelementen der weiteren Seite der Bauelemente kann des Weiteren Wärme von den elektronischen Bauelementen über die Stanzgitter abgeführt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mindestens eine Stanzgitter mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass das elektrische Leistungsmodul sehr einfach und sicher hergestellt werden kann. Damit ist auch eine kostengünstige Lösung für das elektrische Leistungsmodul möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrische Leistungsmodul einen Kühlkörper auf, und das DCB-Substrat ist direkt mit dem Kühlkörper gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlflächen des Kühlkörpers sehr klein ausgebildet sein können. Damit kann die Grundfläche des Kühlkörpers sehr klein sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine Ausnehmung auf, und das DCB-Substrat und das elektronische Bauelement sind in der Ausnehmung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein kompakter Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls möglich ist.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls, mit den Schritten: Bereitstellen mindestens eines elektronischen Bauelements, das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente zur elektrischen Kopplung aufweist, Bereitstellen eines DCB-Substrats, das elektrische Leiterelemente aufweist, Bereitstellen mindestens eines Stanzgitters, Ausrichten des mindestens einen elektronischen Bauelements gegenüber dem DCB-Substrat, derart, dass die elektrischen Leiterelemente des DCB-Substrats mit den Kontaktelementen der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements elektrisch koppelbar sind, Ausrichten des mindestens einen Stanzgitters gegenüber dem mindestens einen elektronischen Bauelement, derart, dass das mindestens eine Stanzgitter mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements elektrisch koppelbar ist, und Koppeln der elektrischen Leiterelemente des DCB-Substrats mit den Kontaktelementen der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements und des mindestens einen Stanzgitters mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements mittels eines gemeinsamen Löt- oder Schweißvorgangs.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Leistungsmoduls in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls,
  • 3 eine perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls in einer weiteren Ausführungsform,
  • 4 eine weitere perspektivische Darstellung der weiteren Ausführungsform des elektrisches Leistungsmoduls,
  • 5 eine perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls mit einem Kühlkörper,
  • 6 eine teilweise geschnittene Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls mit dem Kühlkörper,
  • 7 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls,
  • 8 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls,
  • 9 eine perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls mit elektrischen Anschlüssen, und
  • 10 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls mit elektrischen Anschlüssen.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 und 2 zeigen ein elektrisches Leistungsmodul 10 in einer ersten Ausführungsform.
  • Das elektrische Leistungsmodul 10 hat ein DCB-Substrat 12 (DCB-Substrat). Das DCB-Substrat 12 hat elektrische Leiterelemente 12a (4).
  • 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.
  • 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.
  • Auf einer ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 sind Kontaktelemente 20a, auf einer weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 sind Kontaktelemente 20b angeordnet. Wie insbesondere in der Ausführungsform der 3 und 4 gut erkennbar ist, sind die elektrischen Leiterelemente 12a des DCB-Substrats 12 elektrisch mit den Kontaktelementen 20a der ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 elektrisch gekoppelt. Vorzugsweise sind die elektronischen Bauelemente 14, 16 in Flip-Chip-Technik mit dem DCB-Substrat 12 elektrisch gekoppelt.
  • Die Stanzgitter 18 sind mindestens teilweise auf der weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 angeordnet. Die Stanzgitter 18 sind mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements 14, 16 direkt elektrisch gekoppelt (4).
  • Die Stanzgitter 18 weisen Befestigungs- und/oder Anschlussstifte 22 auf, mittels denen die Stanzgitter 18 positioniert und befestigt oder mittels denen elektrische Signale übertragen werden können. Die Stanzgitter 18 weisen Öffnungen 24 auf. Die Öffnungen 24 sind vorzugsweise als Anschraublöcher ausgebildet. Die Stanzgitter 18 weisen weiter Brücken 26 auf, mittels denen Bereiche der Bauelemente 14, 16, die nicht direkt mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite der Bauelemente 14, 16 elektrisch gekoppelt sind, oder Bereiche zwischen den Bauelementen 14, 16 überbrückt werden können.
  • Die Stanzgitter 18 sind vorzugsweise mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite des Bauelements 14, 16 gekoppelt. Damit ist eine besonders einfache und sichere Kontaktierung der Stanzgitter 18 mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite der Bauelemente 14, 16 möglich.
  • Wie besonders gut in den 5 und 6 zu erkennen ist, weist das elektrische Leistungsmodul 10 weiter einen Kühlkörper 30 auf. Der Kühlkörper 30 hat eine Ausnehmung 32. In der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 sind das DCB-Substrat 12 und die elektronischen Bauelemente 14, 16 angeordnet. Vorzugsweise ist in der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 weiter ein (nicht dargestelltes) Gel eingebracht, mittels dem das elektrische Leistungsmodul 10 gegen mechanische Schwingungen geschützt werden kann. Des Weiteren ermöglicht das Gel einen Oberflächenschutz der elektronischen Bauelemente 14, 16. Das DCB-Substrat 12 ist direkt mit dem Kühlkörper 30 gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper 30 ein Einlegeelement 34 auf. Das Einlegeelement 34 weist vorzugsweise AlSiC auf. Des Weiteren kann das Einlegeelement 34 Cu oder CuW aufweisen. 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. Der Kühlkörper 30 weist weiter Öffnungen 36 auf, die vorzugsweise als zylindrische Löcher ausgebildet sind.
  • Wie besonders gut in den 7 und 8 zu erkennen ist, ist das elektrische Leistungsmodul 10 mittels Schraubelementen 38 mit einer Ansteuerplatine 40 mechanisch gekoppelt. Die Schraubelemente 38 greifen dabei in die Öffnungen 36 des Kühlkörpers 30 ein. Die Ansteuerplatine 40 weist Öffnungen auf, durch die Teile der Stanzgitter 18 mit den Öffnungen 24 sowie Befestigungs- und Anschlussstifte 22 geführt sind.
  • Die 9 und 10 zeigen jeweils das elektrische Leistungsmodul 10 und die Ansteuerplatine 40. An die als Anschraublöcher ausgebildeten Öffnungen 24 der Stanzgitter 18 sind ein Stromversorgungsanschlusselement 42 und ein Steueranschlusselement 44 angeschlossen. Das Stromversorgungsanschlusselement 42 kann vorzugsweise als Batterieanschluss ausgebildet sein. Das Steueranschlusselement 44 kann vorzugsweise als Phasenanschluss für den Betrieb eines Elektromotors ausgebildet sein.
  • Ein Vorteil eines derartigen elektrischen Leistungsmoduls 10 ist insbesondere, dass Bondverbindungen zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente 14, 16 entfallen können. Damit ist ein sehr stabiler Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 möglich. Des Weiteren kann ein Modulrahmen für das elektrische Leistungsmodul 10 entfallen, wodurch zum einen geringe Kosten für das elektrische Leistungsmodul 10 erreicht werden können, zum anderen ein sehr flacher Gesamtaufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 erreicht werden kann. Durch die direkte Kopplung der Stanzgitter 18 mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite der Bauelemente 14, 16 kann des Weiteren Wärme über die Stanzgitter 18 von den elektronischen Bauelementen 14, 16 abgeführt werden. Damit ist es möglich, die Kühlflächen des Kühlkörpers 30 sehr klein auszubilden. Damit kann die Grundfläche des Kühlkörpers 30 sehr gering gehalten werden. Durch die Anbindung der Stanzgitter 18 an die Ansteuerplatine 40 ist es des Weiteren möglich, die Ansteuerplatine 40 zu kühlen. Des Weiteren ist es möglich, einen niederinduktiven Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 zu erreichen, da eine große Kontaktfläche der Stanzgitter 18 mit den elektronischen Bauelementen 14, 16 erreicht werden kann.
  • Im Folgenden soll das Verfahren zum Herstellen des elektrischen Leistungsmoduls 10 im Detail dargestellt werden:
    Zunächst werden die elektronischen Bauelemente 14, 16 bereitgestellt, die auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite die Kontaktelemente 20a, 20b zur elektrischen Kopplung aufweisen. In einem weiteren Schritt wird das DCB-Substrat 12 bereitgestellt, das die elektrischen Leiterelemente 12a aufweist. Des Weiteren werden ein oder mehrere Stanzgitter 18 bereitgestellt.
  • Die elektronischen Bauelemente 14, 16 werden nun gegenüber dem DCB-Substrat 12 derart ausgerichtet, dass die elektrischen Leiterelemente 12a des DCB-Substrats 12 mit den Kontaktelementen 20a der ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 elektrisch koppelbar sind. Des Weiteren werden die Stanzgitter 18 gegenüber den elektronischen Bauelementen 14, 16 derart angeordnet, dass die Stanzgitter 18 mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 elektronisch koppelbar sind.
  • In einem gemeinsamen Löt- oder Schweißvorgang werden die elektrischen Leiterelemente 12a des DCB-Substrats 12 mit den Kontaktelementen 20a der ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 und die Stanzgitter 18 mit den Kontaktelementen 20b der weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 gekoppelt. Damit wird erreicht, dass das DCB-Substrat 12, die elektronischen Bauelemente 14, 16 und die Stanzgitter 18 zusammen eine Sandwich-Struktur ausbilden können. Sind die Stanzgitter 18 insbesondere mit (hier nicht dargestellten) Verbindungsstegen miteinander verbunden, so können diese nach dem Löt- oder Schweißvorgang aufgetrennt werden.
  • Das vorgestellte Verfahren zum Herstellen des elektrischen Leistungsmoduls 10 erlaubt eine sehr kurze Ausführungszeit und kann kostengünstig realisiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Elektrisches Leistungsmodul
    12
    DCB-Substrat
    12a
    elektrische Leiterelemente von 12
    14
    elektronisches Bauelement (IGBT)
    16
    elektronisches Bauelement (Diode)
    18
    Stanzgitter
    20a
    Kontaktelement der ersten Seite von 14, 16
    20b
    Kontaktelement der weiteren Seite von 14, 16
    22
    Befestigungs-, Anschlussstifte
    24
    Öffnung
    26
    Brücke
    30
    Kühlkörper
    32
    Ausnehmung in 30
    34
    Einlegeelement in 30
    36
    Öffnung in 30
    38
    Schraubelemente
    40
    Ansteuerplatine
    42
    Stromversorgungsanschlusselement
    44
    Steueranschlusselement

Claims (6)

  1. Elektrisches Leistungsmodul (10), mit – mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente (20a, 20b) zur elektrischen Kopplung aufweist, – einem DCB-Substrat (12), das elektrische Leiterelemente (12a) aufweist, die mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch gekoppelt sind, und – mindestens einem Stanzgitter (18), wobei das mindestens eine Stanzgitter (18) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt ist.
  2. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Stanzgitter (18) mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) gekoppelt ist.
  3. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrische Leistungsmodul (10) einen Kühlkörper (30) aufweist, und das DCB-Substrat (12) direkt mit dem Kühlkörper (30) gekoppelt ist.
  4. Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 3, wobei der Kühlkörper (30) eine Ausnehmung (32) aufweist, und das DCB-Substrat (12) und das elektronische Bauelement (14, 16) in der Ausnehmung (32) angeordnet sind.
  5. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls (10), mit den Schritten: – Bereitstellen mindestens eines elektronischen Bauelements (14, 16), das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente (20a, 20b) zur elektrischen Kopplung aufweist, – Bereitstellen eines DCB-Substrats (12), das elektrische Leiterelemente (12a) aufweist, – Bereitstellen mindestens eines Stanzgitters (18), – Ausrichten des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) gegenüber dem DCB-Substrat (12), derart, dass die elektrischen Leiterelemente (12a) des DCB-Substrats (12) mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch koppelbar sind, – Ausrichten des mindestens einen Stanzgitters (18) gegenüber dem mindestens einen elektronischen Bauelement (14, 16), derart, dass das mindestens eine Stanzgitter (18) mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch koppelbar ist, und – Koppeln der elektrischen Leiterelemente (12a) des DCB-Substrats (12) mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) und des mindestens einen Stanzgitters (18) mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) mittels eines gemeinsamen Löt- oder Schweißvorgangs.
  6. Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Leistungsmoduls (10), die ausgebildet ist – zum Bereitstellen mindestens eines elektronischen Bauelements (14, 16), das auf einer ersten Seite und auf einer weiteren Seite Kontaktelemente (20a, 20b) zur elektrischen Kopplung aufweist, – zum Bereitstellen eines DCB-Substrats (12), das elektrische Leiterelemente (12a) aufweist, – zum Bereitstellen mindestens eines Stanzgitters (18), – zum Ausrichten des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) gegenüber dem DCB-Substrat (12), derart, dass die elektrischen Leiterelemente (12a) des DCB-Substrats (12) mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch koppelbar sind, – zum Ausrichten des mindestens einen Stanzgitters (18) gegenüber dem mindestens einen elektronischen Bauelement (14, 16), derart, dass das mindestens eine Stanzgitter (18) mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) elektrisch koppelbar ist, und – zum Koppeln der elektrischen Leiterelemente (12a) des DCB-Substrats (12) mit den Kontaktelementen (20a) der ersten Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) und des mindestens einen Stanzgitters (18) mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) mittels eines gemeinsamen Löt- oder Schweißvorgangs.
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