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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten hoher Ströme, insbesondere von mehr als 200 A. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Halbleiterschaltelement und eine Logikschaltung, die auf der Leiterplatte aufgebracht ist.
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Vorrichtungen zum Schalten hoher Ströme werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Zu- oder Wegschalten eines Energiespeichers zu einem Bordnetz benötigt. Dabei muss die Vorrichtung in der Lage sein, Ströme von über 200 A schalten zu können. Die Steuerung der Schaltelemente zum Schalten der Ströme erfolgt mittels einer Logikschaltung. Die Logikschaltung und die Schaltelemente zum Schalten der Ströme sind üblicherweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Typischerweise werden die der Logik zugeordneten Komponenten auf einer Leiterplatte und die Schaltelemente zum Schalten der Ströme auf einer anderen Leiterplatte angeordnet. Die beiden Leiterplatten werden mittels Pressfit-Pins elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Die Herstellung einer derartigen Vorrichtung muss innerhalb enger, vorgegebener Toleranzen erfolgen. Dies macht die Fertigung aufwändig.
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Aus der
US 2008/0298023 A1 ist ein Modul, das eine elektronische Komponente enthält, bekannt. Die Anschlüsse dieser elektronischen Komponente sind mit Kontaktflächen elektrisch verbunden, die mit einer Oberfläche des Moduls fluchten. Ein solches Modul kann mit einem anderen Modul verbunden werden, indem die entsprechenden Oberflächen bzw. die jeweiligen Kontaktflächen miteinander in Kontakt gebracht werden.
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Die
DE 10 2004 011 986 A1 offenbart eine Busschienenstrukturplatte und ein Herstellungsverfahren eines Schaltkreisstrukturkörpers unter Verwendung hiermit.
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Die
DE 1 965 783 U offenbart eine leitende Befestigung für Schaltungskomponenten in Aussparungen von Schaltelementen mit aufgedruckten Leitungssystemen, bei der die freien Enden von Verbindungsleitungen des Leitungssystems in den Bereich einer Aussparung ragen und eine wellenförmige Aufbiegung aufweisen und eine in der Aussparung untergebrachte Schaltungskomponente an ihren Anschlüssen an den freien Enden aufgehängt ist.
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In der
DE 100 63 241 A1 ist ein mechatronisches Modul mit einer in einem Gehäuse angeordneten, flachen elektronischen Baugruppe beschrieben, bei dem das in einer Ausnehmung angeordnete elektronische Bauelement ein Sensor oder Signalgeber ist, dessen Körper in einem Abstand von höchsten 10 mm von einer Fläche einer Komponente angeordnet ist, die von der Leiterplatte beabstandet ist, wobei der Körper von dieser Fläche wenigstens teilweise abgedeckt ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Schalten hoher Ströme anzugeben, welche auf einfachere Weise herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es wird eine Vorrichtung zum Schalten hoher Ströme, insbesondere von Strömen von mehr als 200 A vorgeschlagen, welche zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine Logikschaltung aufweist. Das zumindest eine Halbleiterschaltelement ist in eine, die Logikschaltung tragende Leiterplatte derart eingebettet, dass zumindest ein Leistungsanschluss eines jeweiligen Halbleiterschaltelements in einer Ebene mit einer Oberseite der Leiterplatte zum Liegen kommt und der zumindest eine Leistungsanschluss zur Stromführung mit einem Leiterrahmen elektrisch verbunden ist. Der Leiterrahmen liegt im Bereich der Leiterplatte in einer Ebene und grenzt vollständig an die Ebene der Oberseite der Leiterplatte an. Ein Steueranschluss eines jeweiligen Halbleiterschaltelements kommt im Inneren der Leiterplatte zum Liegen. Hierdurch kann dieser auf einfache Weise mit der Logikschaltung, welche auf oder in der Leiterplatte realisiert ist, verbunden werden. Der elektrische Anschluss des Steueranschlusses kann über Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen der Leiterplatte erfolgen. Dadurch, dass das zumindest eine steuerbare Halbleiterschaltelement in die Leiterplatte der Logikschaltung eingebettet ist, weist die mit den Halbleiterschaltelementen bestückte Leiterplatte eine ebene Oberfläche auf, so dass eine elektrische Kontaktierung mittels eines herkömmlichen Leiterrahmens erfolgen kann. Die Führung der hohen, zu schaltenden Ströme erfolgt bei dieser Vorrichtung über den Leiterrahmen und nicht, wie herkömmlich, über auf der Leiterplatte angeordnete Leiterzugstrukturen.
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Neben einer vereinfachten Herstellung ergibt sich dadurch der Vorteil, dass durch den im Vergleich höheren Querschnitt des Leiterrahmens größere Ströme mit geringerem Widerstand transportiert werden können. Durch kürzere Leiterbahnen ergibt sich ein erhöhter Wirkungsgrad der Vorrichtung. Der geringere Gesamtinnenwiderstand durch die Stromführung über den Leiterrahmen verbessert zudem eine Kaltstartfähigkeit.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der Herstellung der Vorrichtung nur eine einzige Leiterplatte gehandhabt und prozessiert werden muss. Hierdurch entfallen mehrere Toleranzen aus der ansonsten erforderlichen Toleranzkette. Da die Logikschaltung und die für das Schalten der hohen Ströme zuständigen Halbleiterschaltelemente auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind, können Pressfit-Pins entfallen und die elektrische Verbindung über Leiterbahnen erfolgen.
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Die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem zumindest einen Leistungsanschluss eines jeweiligen Halbleiterschaltelements und dem Leiterrahmen kann mittels einer Lötverbindung erfolgen. Ebenso sind auch andere Anschlusstechniken möglich. Die Halbleiterschaltelemente sind insbesondere Leistungs-Halbleiterschaltelemente, wie z. B. MOSFETs, IGBTs oder andere Transistoren.
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Unter dem im Bereich der Leiterplatte in einer Ebene liegenden Leiterrahmen ist zu verstehen, dass der Leiterrahmenabschnitt, welcher mit der Leiterplatte überlappt, keinen Vorsprung oder Rücksprung aus dieser Ebene heraus aufweist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist pro Strompfad ein Leiterrahmen vorgesehen. Insbesondere können pro Strompfad mehrere Halbleiterschaltelemente in der Vorrichtung vorgesehen sein, die dann mit dem gleichen Leiterrahmen verbunden sind. Es versteht sich, dass mehrere Halbleiterschaltelemente pro Strompfad elektrisch parallel geschaltet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung kommen beide Leistungsanschlüsse eines jeweiligen Halbleiterschaltelements in der Ebene der Oberseite der Leiterplatte zum Liegen. In dieser Ausgestaltung ist dann pro Leistungsanschluss eines jeweiligen Halbleiterschaltelements entweder ein Leiterrahmen vorgesehen oder aber der Leiterrahmen ist derart strukturiert, dass kein elektrischer Kurzschluss in den entsprechenden Abschnitten entsteht. Das Vorsehen beider Leistungsanschlüsse eines jeweiligen Halbleiterschaltelements in der Ebene der Oberseite der Leiterplatte weist den Vorteil auf, dass kein Laststrom im Inneren der Leiterplatte fließen braucht.
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Kommt ein Leistungsanschluss im Inneren der Leiterplatte zum Liegen, so wird dieser über eine Umverdrahtungsstruktur im Inneren der Leiterplatte, beispielsweise Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen (sog. Vias), mit dem Leiterrahmen verbunden werden.
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Das zumindest eine Halbleiterschaltelement kann ungehäust in die Leiterplatte eingebettet sein. Ebenso ist es möglich, das zumindest eine Halbleiterschaltelement als Gehäuse des Bauelements in die Leiterplatte einzubetten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist in die Leiterplatte ein Stromsensor zur Erfassung des im Leiterrahmen fließenden Stroms derart eingebettet, dass eine dem Leiterrahmen zugewandte und messtechnisch wirksame Fläche in einer Ebene mit der Oberseite der Leiterplatte zum Liegen kommt. Insbesondere kommt als Stromsensor ein Hall-Sensor zum Einsatz. Zur bestimmungsgemäßen Funktion ist es erforderlich, dass der Stromsensor mit sehr enger Lagetoleranz bezüglich der Strom führenden Leitung platziert ist. Die erforderliche Genauigkeit lässt sich auf einfache Weise durch das Einbetten des Stromsensors in die Leiterplatte realisieren. Da im Rahmen der Fertigung in der Toleranzkette gegenüber einer Vorrichtung mit zwei Leiterplatten mehrere Toleranzen wegfallen, kann die Herstellung mit größerer Toleranz erfolgen. Die Vorteile ergeben sich insbesondere daraus, dass durch die Einbettung des Stromsensors in die Leiterplatte ein ungehäuster Stromsensor verwendet werden kann. Herkömmlicherweise wird der Stromsensor in einem Gehäuse angeordnet, wobei bereits die Anordnung in dem Gehäuse mit Fertigungstoleranzen verbunden ist. Zusätzliche Fertigungstoleranzen kommen dann beim Weiterverarbeiten des mit dem Gehäuse versehenen Stromsensors auf die Leiterplatte zum Tragen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine von der Leiterplatte abgewandte Hauptfläche des Leiterrahmens Wärme leitend mit einer Trägerplatte verbunden. Die Nutzung eines Leiterrahmens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die einfache Anbindung an eine Wärmesenke und die Abfuhr der im Betrieb der Halbleiterschaltelemente entstehenden Wärme. Die Wärme leitende Verbindung kann durch eine erste Schicht aus einem Wärmeleitmaterial und eine zweite Schicht aus einer Keramik hergestellt sein. Durch das zusätzliche Vorsehen der zweiten Schicht aus einer Keramik kann die erste Schicht aus Wärmeleitmaterial dünner ausgebildet werden, wodurch der Wärmeübergang an die Trägerplatte verbessert ist. Die Trägerplatte besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einem anderen gut Wärme leitenden Material.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schalten hoher Ströme,
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2 bis 5 aufeinanderfolgende Herstellungsschritte zur Herstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung.
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1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Schalten hoher Ströme. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Leiterplatte 2, welche im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Leiterplattenteil 3, ein zweites Leiterplattenteil 4 und ein drittes Leiterplattenteil 5 umfasst. Wie aus der später folgenden Beschreibung der Herstellung besser ersichtlich werden wird, sind die Leiterplattenteile 3, 4, 5 durch das Einbringen von Gräben 29, 30 senkrecht zur Blattebene (vgl. 2 bis 4) in eine zunächst ebene Leiterplatte erzeugt. Dadurch, dass die Gräben sich nicht über die gesamte Dicke der Leiterplatte 2 erstrecken, bleiben die Leiterplattenteile 3, 4, 5 über eine dünne Schicht an Leiterplattenmaterial miteinander verbunden, wodurch sich eine Biegbarkeit der Leiterplatte 2 ergibt. Dabei kann in den biegsamen Bereichen (d. h. den Bereichen der Gräben) eine Führung elektrischer Signale durch das Vorsehen entsprechender Leiterzugstrukturen erfolgen, so dass die auf den Leiterplattenteilen 3, 4, 5 angeordneten Komponenten auch über Leiterplattenteile hinweg Signale austauschen können.
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Für die vorliegende Erfindung ist es prinzipiell von untergeordneter Bedeutung, ob die Leiterplatte 2 aus lediglich einem einzigen Leiterplattenteil oder – wie gezeigt – einer Mehrzahl an Leiterplattenteilen besteht. Die zur Herstellung der flexiblen, dreidimensionalen Leiterplatte 2 angewandten Schritte können jedoch vorteilhaft auch dazu genutzt werden, Halbleiterschaltelemente in die Leiterplatte einzubetten.
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In der Querschnittsdarstellung der 1 sind im ersten Leiterplattenteil 3 der Leiterplatte 2 beispielhaft drei steuerbare Halbleiterschaltelemente 7 eingebettet. Die Einbettung erfolgt derart, dass eine erste Hauptseite 8 eines jeweiligen Halbleiterschaltelements 7, auf welcher zumindest ein Leistungsanschluss 10 ausgebildet ist, in einer Ebene mit einer flächigen und ebenen Oberseite 6 der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 zum Liegen kommt. Eine zweite Hauptseite 9, welche der ersten Hauptseite des Halbleiterschaltelements 7 gegenüberliegt, ist im Inneren der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 eingebettet. Auf der zweiten Hauptseite 9 ist zumindest ein Steueranschluss eines jeweiligen Halbleiterschaltelements 7 ausgebildet, welcher mit einer nicht näher dargestellten Umverdrahtungsstruktur der Leiterplatte 2 elektrisch verbunden ist.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Leiterrahmen 14, welcher auch als Leadframe bezeichnet wird. Der Leiterrahmen 14 liegt im Bereich der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 in einer Ebene und grenzt vollständig an die Ebene der Oberseite 6 der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 an. Dadurch, dass die drei Halbleiterschaltelemente 7 nicht über die Ebene der Oberseite 6 der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 hinausragen (und auch nicht gegenüber der Oberseite 6 zurücktreten), kann der Leiterrahmen 14 im Bereich der Leiterplatte 2 vollständig eben ausgebildet sein. Dies bedeutet, der Leiterrahmen 14 braucht keine Vor- oder Rücksprünge senkrecht zur Ebene der Oberseite 6 der Leiterplatte 2 aufweisen. Hierdurch kann auf einfache Weise eine elektrische Verbindung zu dem zumindest einen Leistungsanschluss 10 der Halbleiterschaltelemente 7 erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Verbindung durch ein Lot.
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Sind beide Leistungsanschlüsse auf der ersten Hauptseite 8 des jeweiligen Halbleiterschaltelements 7 ausgebildet, so werden entweder pro Leistungsanschluss zwei elektrisch voneinander getrennte Leiterrahmen 14 oder ein entsprechend strukturierter Leiterrahmen 14 vorgesehen.
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Befindet sich einer der Leistungsanschlüsse auf der zweiten Hauptseite 9 des Halbleiterschaltelements 7, d. h. liegt dieser eingebettet im Inneren der Leiterplatte 2, so ist im Inneren der Leiterplatte 2 eine entsprechende Umverdrahtungsstruktur vorzusehen, um eine Stromführung über den Leiterrahmen 14 zu ermöglichen. Die Umverdrahtungsstruktur kann im Inneren der Leiterplatte 2 angeordnete Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen umfassen. Diese können beispielsweise in einer auf der Oberseite 6 angeordneten Kontaktfläche münden, welche über eine Lotverbindung mit dem Leiterrahmen 14 elektrisch verbunden ist.
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Es versteht sich, dass pro Strompfad ein Leiterrahmen 14 in der beschriebenen Weise vorzusehen ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein solcher Strompfad dargestellt, wobei in dem Strompfad beispielhaft drei parallel geschaltete Halbleiterschaltelemente angeordnet sind, welche durch eine Logikschaltung 19 synchron angesteuert werden.
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In einer der Halbleiterschaltelemente 7 entsprechenden Weise ist ferner ein Stromsensor 11 in die Leiterplatte 2, d. h. im Ausführungsbeispiel in das erste Leiterplattenteil 3, eingebettet. Dabei kommt eine Hauptseite 12 des Stromsensors 11 in der Ebene der Oberseite 6 der Leiterplatte 2 zum Liegen. Die erste Hauptseite 12 stellt eine sensorisch wirksame Fläche 13 des Stromsensors 11 dar, so dass der durch den Leiterrahmen 14 fließende Strom durch den Stromsensor zuverlässig detektiert werden kann.
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Vorzugsweise sind sowohl die Halbleiterschaltelemente 7 als auch der Stromsensor 11 ohne Gehäuse in entsprechende Ausnehmungen der Leiterplatte 2 eingebracht. Hierdurch vereinfacht sich nicht nur die Fertigung, sondern auch die im Rahmen der Fertigung zu erreichenden Toleranzen können auf einfachere Weise erzielt werden.
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Im Rahmen der Herstellung der Vorrichtung 1 erfolgt zunächst die Bereitstellung der Leiterplatte 2 (2). In die Leiterplatte 2 werden in der gezeigten Darstellung senkrecht zur Blattebene Gräben 29, 30 eingebracht, wodurch die oben beschriebenen Leiterplattenteile 3, 4 und 5 ausgebildet sind. In dem ersten Leiterplattenteil 3 werden Ausnehmungen für die Halbleiterschaltelemente 7 und den Stromsensor 11 eingebracht. Im Rahmen der Herstellung können zudem Bauelemente 17 in die Leiterplatte 2 eingebettet werden. Bei den Bauelementen 17 handelt es sich bei der vorliegenden Vorrichtung beispielsweise um Widerstände und Entkopplungskondensatoren. Die Einbettung der Halbleiterschaltelemente 7 und des Stromsensors 11 erfolgt, wie beschrieben, derart, dass diese plan mit der Oberseite 6 der Leiterplatte 2 bzw. des ersten Leiterplattenteils 3 abschließen. Anschließend erfolgt die Herstellung der Logikschaltung 19, indem Bauelemente 18 auf der Leiterplatte 2 angeordnet werden (3). Im Bereich des ersten Leiterplattenteils 3 werden dabei die Bauelemente 18 lediglich auf der von dem späteren Leiterrahmen 14 abgewandten Hauptseite aufgebracht. Auf dem dritten Leiterplattenteil 5, welches nach der Faltung parallel zum ersten Leiterplattenteil 3 zum Liegen kommt, können die Bauelemente 18 beidseitig auf entsprechend vorbereitete Leiterzugstrukturen aufgebracht werden. Der im Vergleich zum ersten und dritten Leiterplattenteil (nur beispielhaft) schmälere zweite Leiterplattenteil 4 nimmt auf der Oberseite 6 ein Verbindungselement 27 zur Logikschaltung 19 auf. Die gegenüberliegende Seite des Leiterplattenteils 4 bleibt frei.
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Anschließend wird, wie dies 4 darstellt, auf der Oberseite 6 der Leiterrahmen 14 aufgebracht. Beispielhaft besteht der Leiterrahmen 14 aus einem ersten Leiterrahmenabschnitt 15, welcher im Bereich der Leiterplatte 2 verläuft und in einer Ebene liegt und vollständig an die Ebene der Oberseite 6 der Leiterplatte angrenzt. Beispielhaft geht von diesem ersten Leiterrahmenabschnitt 15 senkrecht ein zweiter Leiterrahmenabschnitt 16 weg, welcher später mit einem Verbindungselement 28 (vgl. 1) zur Kontaktierung des Strompfades zu den Halbleiterschaltelementen 7 verbunden wird. Eine elektrische Kontaktierungsfläche des Leiterrahmens ist mit dem Bezugszeichen 31 gekennzeichnet und grenzt an die Oberseite 6 der Leiterplatte an, so dass die elektrische Verbindung zu den Leistungsanschlüssen der Halbleiterschaltelemente 7 herstellbar ist.
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5 zeigt die in 4 fertig bestückte Leiterplattenanordnung nach deren Faltung. Dabei kommen die Leiterplattenteile 3 und 5 parallel zum Liegen, wobei ein definierter Abstand über beispielhaft zwei Abstandshalter 20 (sog. Spacer) sichergestellt ist. Das auf dem zweiten Leiterplattenteil 4 angeordnete Verbindungselement 27 weist nach dem Verformen von den beiden parallel angeordneten Leiterplattenteilen 3 und 5 weg, d. h. nach außen.
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In 1 ist die in 5 dargestellte Anordnung in einem Gehäuse 21 angeordnet. Das Gehäuse besteht aus einer Trägerplatte 22, welche über eine Wärmeleitschicht 33 und eine keramische Schicht 34 mit einer Hauptseite 32 des Leiterrahmenabschnitt 15 des Leiterrahmens 14 verbunden ist. Das Verbindungselement 27 ragt aus einer Seitenwand 23, das bereits erwähnte Verbindungselement 28, das mit dem zweiten Leiterrahmenabschnitt 16 verbunden ist, aus einer Seitenwand 24 heraus. Die Seitenwände 23, 24 können Teil eines Ringgehäuses sein. Dies bedeutet, die Seitenwände 23, 24 sind einteilig ausgebildet. Abgeschlossen wird die Anordnung durch einen Deckel 25, der auf die Seitenwände 23, 24 aufgebracht ist.
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Um eine mechanische Fixierung der Leiterplattenanordnung im Inneren des Gehäuses und eine sichere Anbindung des Leiterrahmens 14 an die zur Entwärmung verwendete Trägerplatte sicherzustellen, ist zudem eine Schraube 26 vorgesehen, welche durch einen der Abstandshalter 20 geführt ist und in der Trägerplatte 22 verankert ist.
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Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen dem Leiterrahmen 14 und der Trägerplatte 22, welche aus einem gut Wärme leitenden Material, vorzugsweise Metall, besteht, sicherstellen zu können, ist die Schichtenanordnung aus Wärmeleitschicht 33 und keramischer Schicht 34 vorgesehen. Beim Vorsehen der lediglich optionalen keramischen Schicht 34 kann die Wärmeleitschicht 33 dünner ausgebildet werden, wodurch eine verbesserte Wärmeanbindung an die Trägerplatte gewährleistet ist. Die keramische Schicht 34 kann beispielsweise durch ein Kaltgassprühverfahren auf die Trägerplatte 22 aufgebracht sein. Die keramische Schicht dient neben der Wärmeleitung zur Isolation.
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Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Leistungs-Halbleiterschaltelemente, wie z. B. MOSFETs, IGBTs oder andere Transistoren, welche zur Führung und Schaltung hoher Ströme von größer als 200 A ausgebildet sind.
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Dadurch, dass der Leiterrahmenabschnitt 15 eine ebene Oberfläche aufweist, kann dieser über seine gesamte Fläche unmittelbar an die Trägerplatte 22 angebunden werden. Hierdurch ist eine gute Entwärmung sichergestellt.
