DE102012201890A1

DE102012201890A1 - Elektrisches Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102012201890A1
Application number: DE201210201890
Authority: DE
Inventors: Hermann Bäumel; Edmund Schirmer
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungsmodul (10), mit einem DCB-Substrat (12), mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das auf einer ersten Seite mit dem DCB-Substrat (12) elektrisch gekoppelt ist, und einer Ansteuervorrichtung (40), die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16). Die Ansteuervorrichtung (40) ist auf einer weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) angeordnet und mit Kontaktelementen (20) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungsmodul.
Elektrische Leistungsmodule weisen beispielsweise DCB-Substrate („Direktgebundende Kupfer-Substrate“ oder „Direkt bondierte Kupfer-Substrate“, auf Englisch „Direct-Copper-Bonding- 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.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein elektrisches Leistungsmodul, mit einem DCB-Substrat, mindestens einem elektronischen Bauelement, das auf einer ersten Seite mit dem DCB-Substrat elektrisch gekoppelt ist, und einer Ansteuervorrichtung, die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements. Die Ansteuervorrichtung ist auf einer weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements angeordnet und mit Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements direkt elektrisch gekoppelt.
Dies hat den Vorteil, dass durch die direkte Kopplung der Ansteuervorrichtung mit den Kontaktelementen der weiteren Seite der Bauelemente Wärme von den elektronischen Bauelementen über die Ansteuervorrichtung abgeführt werden kann. Des Weiteren können durch die direkte Kopplung der Ansteuervorrichtung mit den Kontaktelementen der weiteren Seite der Bauelemente Bondverbindungen entfallen. Damit ist ein sehr stabiler Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls möglich. Des Weiteren 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 sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ansteuervorrichtung eine Leiterplatte auf, und die Leiterplatte ist mit den Kontaktelementen der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements direkt elektrisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuervorrichtung in einfacher Weise mit dem mindestens einen elektronischen Bauelement elektrisch gekoppelt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ansteuervorrichtung 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.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ansteuervorrichtung und der Kühlkörper mittels einem zwischen der Ansteuervorrichtung und dem Kühlkörper angeordneten Kopplungselement miteinander gekoppelt. Das Kopplungselement ist ausgebildet zur wärmeleitenden Kopplung der Ansteuervorrichtung mit dem Kühlkörper. Dies hat den Vorteil, dass an der Ansteuervorrichtung und den elektronischen Bauelementen anfallende Wärme sehr gut über das Kopplungselement und den Kühlkörper abgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Kopplungselement ein Material, das ein Metall aufweist oder aus einem Metall besteht. Damit ist es möglich, dass das Kopplungselement eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und sehr robust ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine Ausnehmung auf, und das DCB-Substrat und/oder das elektronische Bauelement und/oder die Ansteuervorrichtung sind in der Ausnehmung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein kompakter Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Ausnehmung des Kühlkörpers ein Vergusselement angeordnet, und das Vergusselement umschließt wenigstens das mindestens eine elektronische Bauelement. Dies hat den Vorteil, dass das mindestens eine elektronische Bauelement durch das Vergusselement sehr gut geschützt sein kann, insbesondere gegen mechanische und chemische Belastungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ansteuervorrichtung mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis auf. Derartige, auch als ASIC (application-specific integrated circuit) bekannte Schaltkreise haben den Vorteil, dass das elektrische Leistungsmodul eine hohe Integrationsdichte der Schaltkreise aufweisen und damit sehr kompakt aufgebaut sein kann. Des Weiteren kann der Energiebedarf des elektrischen Leistungsmoduls klein gehalten werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines elektrisches Leistungsmoduls,
2 eine weitere perspektivische Darstellung des elektrisches Leistungsmoduls,
3 eine Schnittdarstellung des elektrisches Leistungsmoduls, und
4 eine Aufsicht auf das elektrische Leistungsmoduls. Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren zeigen ein elektrisches Leistungsmodul 10 Das elektrische Leistungsmodul 10 hat ein DCB-Substrat 12 (DCB-Substrat).
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.
Auf einer ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 sind (nicht dargestellte) Kontaktelemente, auf einer weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 sind Kontaktelemente 20 angeordnet. Das DCB-Substrat 12 ist elektrisch mit den Kontaktelementen der ersten Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 elektrisch gekoppelt.
Das elektrische Leistungsmodul 10 weist weiter einen Kühlkörper 30 auf. Der Kühlkörper 30 hat eine Ausnehmung 32. Das DCB-Substrat 12 und die elektronischen Bauelemente 14, 16 sind in der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 angeordnet. 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. 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 weiter eine Ansteuervorrichtung 40 auf. Das Ansteuervorrichtung 40 ist auf der weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 angeordnet und mit den Kontaktelementen 20 der weiteren Seite der elektronischen Bauelemente 14, 16 direkt elektrisch gekoppelt (1 und 3).
Die Ansteuervorrichtung 40 hat eine Leiterplatte 42. Die Leiterplatte 42 ist mit den Kontaktelementen 20 der weiteren Seite der elektronischen Bauelement 14, 16 direkt elektrisch gekoppelt. Die Leiterplatte 42 ist so ausgelegt, dass auch hohe Ströme übertragen werden können. Die Ansteuervorrichtung 40 hat eine Vielzahl von Schaltkreisen 44, die auf der Leiterplatte 42 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Schaltkreise 44 als anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise 44 ausgebildet. Derartige Schaltkreise werden auch als ASICs bezeichnet (Application Specific Integrated Circuit). Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise ermöglichen eine hohe Integrationsdichte der Schaltkreise und damit eine geringe Größe des Bauraums für die Ansteuervorrichtung 40.
Die Ansteuervorrichtung 40 ist vorzugsweise mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen 20 der weiteren Seite des Bauelements 14, 16 gekoppelt. Damit ist eine besonders einfache und sichere Kontaktierung der Ansteuervorrichtung 40 mit den Kontaktelementen 20 der weiteren Seite der Bauelemente 14, 16 möglich.
Zwischen der Ansteuervorrichtung 40 und dem Kühlkörper 30 ist ein Kopplungselement 50 angeordnet. Die Ansteuervorrichtung 40 und der Kühlkörper 30 sind mittels des Kopplungselements 50 miteinander mechanisch gekoppelt. Des Weiteren sind die Ansteuervorrichtung 40 und der Kühlkörper 30 mittels des Kopplungselements 50 thermisch miteinander gekoppelt. Das Kopplungselement 50 umfasst vorzugsweise ein Material, das ein Metall aufweist oder aus einem Metall besteht. Ein derartig ausgebildetes Kopplungselement 50 kann insbesondere eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben. Mit dem Kopplungselement 50 kann Wärme von der Ansteuervorrichtung 40 in einfacher Weise zu dem Kühlkörper 30 abgeführt werden.
Vorzugsweise ist in der Ausnehmung 32 des Kühlkörpers 30 ein Vergusselement 60 angeordnet (3). In der hier gezeigten Ausführungsform umschließt das Vergusselement 60 die elektronischen Bauelemente 14, 16. Des Weiteren umschließt das Vergusselement 60 teilweise die Leiterplatte 42. Damit können die elektronischen Bauelemente 14, 16 und die Leiterplatte 42 durch das Vergusselement 60 sehr gut gegen mechanische und chemische Einflüsse geschützt sein. Des Weiteren kann durch das Vergusselement 60 ein zusätzlicher Wärmetransport von den elektronischen Bauelementen 14, 16 und der Leiterplatte 42 zu dem Kühlkörper 30 ermöglicht werden. Des Weiteren kann mittels des Vergusselements 60 eine hohe Kriechstromfestigkeit für das elektrische Leistungsmodul 10 erreicht werden.
Durch die direkte Kopplung der Ansteuervorrichtung 40 mit den Kontaktelementen 20 der weiteren Seite der Bauelemente 14, 16 kann Wärme über die Ansteuervorrichtung 40 von den elektronischen Bauelementen 14, 16 abgeführt werden. Des Weiteren ist es in einfacher Weise möglich, die Ansteuervorrichtung 40 zu kühlen. Damit ist eine hohe Zyklenfestigkeit des elektrischen Leistungsmoduls 10 erreichbar. Durch die große Kontaktfläche der Ansteuervorrichtung 40 mit den elektronischen Bauelementen 14, 16 ist es möglich, einen niederinduktiven Aufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 zu erreichen. Ein weiterer 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. Dadurch können zum einen geringe Kosten für das elektrische Leistungsmodul 10 erreicht werden, zum anderen kann ein sehr kompakter und flacher Gesamtaufbau des elektrischen Leistungsmoduls 10 erreicht werden, so dass unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten beispielsweise der Leiterplatte 42, des DCB-Substrats 12 und des Kühlkörpers 30 nur eine untergeordnete Rolle spielen können.
Bezugszeichenliste

10: Elektrisches Leistungsmodul
12: DCB-Substrat
14: elektronisches Bauelement (IGBT)
16: elektronisches Bauelement (Diode)
20: Kontaktelement von 14, 16
30: Kühlkörper
32: Ausnehmung in 30
34: Einlegeelement in 30
40: Ansteuervorrichtung
42: Leiterplatte
44: Schaltkreis
50: Kopplungselement
60: Vergusselement

Claims

Elektrisches Leistungsmodul (10), mit – einem DCB-Substrat (12), – mindestens einem elektronischen Bauelement (14, 16), das auf einer ersten Seite mit dem DCB-Substrat (12) elektrisch gekoppelt ist, und – einer Ansteuervorrichtung (40), die ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16), wobei die Ansteuervorrichtung (40) auf einer weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) angeordnet und mit Kontaktelementen (20) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt ist.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Ansteuervorrichtung (40) eine Leiterplatte (42) aufweist, und die Leiterplatte (42) mit den Kontaktelementen (20) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) direkt elektrisch gekoppelt ist.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuervorrichtung (40) mittels eines Lots, einer Schweißnaht oder eines Klebers mit den Kontaktelementen (20b) der weiteren Seite des mindestens einen elektronischen Bauelements (14, 16) gekoppelt ist.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Leistungsmodul (10) einen Kühlkörper (30) aufweist, und das DCB-Substrat (12) direkt mit dem Kühlkörper (30) gekoppelt ist.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4, wobei die Ansteuervorrichtung (40) und der Kühlkörper (30) mittels einem zwischen der Ansteuervorrichtung (40) und dem Kühlkörper (30) angeordneten Kopplungselement (50) miteinander gekoppelt sind, und das Kopplungselement (50) ausgebildet ist zur wärmeleitenden Kopplung der Ansteuervorrichtung (40) mit dem Kühlkörper (30).
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Kopplungselement (50) ein Material umfasst, das ein Metall aufweist oder aus einem Metall besteht.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Kühlkörper (30) eine Ausnehmung (32) aufweist, in der das DCB-Substrat (12) und/oder das mindestens eine elektronische Bauelement (14, 16) und/oder die Ansteuervorrichtung (40) angeordnet sind.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach Anspruch 7, wobei in der Ausnehmung (32) ein Vergusselement (60) angeordnet ist, und das Vergusselement (60) wenigstens das mindestens eine elektronische Bauelement (14, 16) umschließt.
Elektrisches Leistungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuervorrichtung (40) mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (44) aufweist.