DE102013219245A1 - Power module with surround - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Schaltungsträger (11) in Form einer Platte mit einer Montageseite, auf der Bauelemente (16) vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Montageseite des Schaltungsträgers (11) mit einer vorzugsweise rahmenartigen Einfassung (12) versehen ist, wodurch eine Vertiefung entsteht, wobei auf dieser insbesondere die Lastanschlüsse fixiert und die elektrischen Zuleitungen ermöglicht werden können; nebenbei bildet die Einfassung eine Begrenzung für ein Isoliermaterial, insbesondere ein wärmeleitfähiges, flüssiges Isoliermaterial. Hierdurch werden die Bauelemente (16) und ihre Kontaktierung auf dem Schaltungsträger (11) kostengünstig und zuverlässig geschützt. Außerdem stellt der Verguss vorteilhaft eine ebene Fläche (18) zur Verfügung, um elektrische Anschlüsse (19) zu Kontaktelementen (20) auszubilden.The invention relates to a circuit carrier (11) in the form of a plate with a mounting side, are provided on the components (16). According to the invention it is provided that the mounting side of the circuit substrate (11) is provided with a preferably frame-like enclosure (12), whereby a depression is formed, in particular fixed on this, the load terminals and the electrical leads can be made possible; By the way, the enclosure forms a boundary for an insulating material, in particular a thermally conductive, liquid insulating material. As a result, the components (16) and their contact on the circuit carrier (11) are inexpensively and reliably protected. In addition, the potting advantageously provides a flat surface (18) to form electrical connections (19) to contact elements (20).
Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger in Form einer Platte mit einer Montageseite, auf der Bauelemente vorgesehen sind. The invention relates to a circuit carrier in the form of a plate with a mounting side, are provided on the components.
Ein Schaltungsträger der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schaltungsträger derart zu verbessern, dass dieser im Aufbau vereinfacht wird und der Schutz der auf dem Schaltungsträger vorhandenen Bauelemente zuverlässig ist. Starting from this prior art, the object of the invention is to improve a circuit carrier such that it is simplified in construction and the protection of the components present on the circuit board is reliable.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Schaltungsträger erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Montageseite eine Einfassung vorgesehen ist, die eine Begrenzung für Isoliermaterial, insbesondere eine flüssige Vergussmasse bildet, wobei die Bauelemente in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet sind, welches den Schaltungsträger in dem durch die Einfassung umrandeten Bereich bedeckt. Die Eifassung fixiert insbesondere die Lastanschlüsse und ermöglicht die elektrischen Zuleitungen zu diesen; nebenbei bildet die Einfassung eine Begrenzung für ein Isoliermaterial insbesondere ein wärmeleitfähiges, flüssiges Isoliermaterial. Die Isolierung kann ebenso über eine Isolierfolie erreicht werden, ohne die Einfassung als Begrenzung zu nutzen. Die Isolierung stellt vorteilhaft einen wirksamen Schutz für die Bauelemente und deren Kontaktierung dar. Die Isolationsschichten bieten neben der Isolierung einen wirksamen Schutz gegen Umwelteinflüsse und tragen zur Vermeidung von Kriechströmen, Feuchtigkeitseintrag usw. bei. This object is achieved with the above-mentioned circuit carrier according to the invention that on the mounting side an enclosure is provided which forms a boundary for insulating material, in particular a liquid potting compound, wherein the components are embedded in an electrically insulating material, which the circuit carrier in the by the surround edged area is covered. The Eifassung fixed in particular the load terminals and allows the electrical leads to these; By the way, the enclosure forms a boundary for an insulating material, in particular a thermally conductive, liquid insulating material. The insulation can also be achieved via an insulating film, without using the enclosure as a limitation. The insulation advantageously provides effective protection for the components and their contacting. In addition to the insulation, the insulation layers offer effective protection against environmental influences and contribute to the prevention of leakage currents, moisture penetration, etc.
Durch eine direkte Integration der Einfassung im Substrat, das heißt die Herstellung von Substrat und Einfassung in einem Stück, wird eine sehr kostengünstige und einfache elektrische Kontaktierung ohne den Bedarf eines Gehäuses erzielt. Die Ausführungen ermöglichen durch Ihren vorteilhaften, planaren Aufbau eine einseitige sowie auch eine doppelseitige, effektive Kühlung. Neben der Bauteilkühlung kann durch entsprechende Konstruktionen eine äußert effektive Kühlung der im Außenbereich am Modul fixierten Lastanschlüsse über Wärmeleitmaterialien erreicht werden. By a direct integration of the enclosure in the substrate, that is, the production of substrate and enclosure in one piece, a very inexpensive and simple electrical contact without the need of a housing is achieved. Thanks to their advantageous, planar design, the designs enable one-sided as well as double-sided, effective cooling. In addition to the component cooling can be achieved by appropriate constructions an extremely effective cooling of the outside fixed to the module load connections via Wärmeleitmaterialien.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einfassung am äußeren Rand der Montageseite vorgesehen ist. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Einfassung rahmenförmig aufgebaut ist, und auf die Montageseite des Schaltungsträgers aufgesetzt wird. Eine Verbindung mit diesem kann beispielsweise durch Kleben oder auch durch einen Lotwerkstoff erfolgen. Als Materialien für die Einfassung kommen keramische Materialien in Frage, welche den Vorteil aufweisen, dass diese elektrisch isolierend sind. Man kann allerdings auch metallische Werkstoffe (nach erfolgter elektrischer Isolierung) verwenden, welche den Vorteil haben, dass diese die Wärme gut aus dem Schaltungsträger ableiten können. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the enclosure is provided on the outer edge of the mounting side. This can be done by the frame is constructed in a frame-shaped, and is placed on the mounting side of the circuit substrate. A connection with this can be done for example by gluing or by a solder material. Suitable materials for the enclosure ceramic materials in question, which have the advantage that they are electrically insulating. However, one can also use metallic materials (after electrical insulation), which have the advantage that they can derive the heat well from the circuit board.
Alternativ kann die Einfassung auch aus einem Rahmen bestehen, in dessen Rahmenöffnung der Schaltungsträger genau hineinpasst. Nach Montage des Rahmens am Schaltungsträger befindet sich dieser damit an der Außenkante des Schaltungsträgers. Natürlich ist es auch möglich, einen Rahmen vorzusehen, der kleiner als die Montageseite des Schaltungsträgers ist. Mit einem solchen Rahmen können Teilbereiche des Schaltungsträgers für die Aufnahme einer Vergussmasse vorbereitet werden. Dies stellt insbesondere dann eine wirtschaftliche Lösung dar, wenn es Teilbereiche des Schaltungsträgers gibt, welche nicht mit einer Vergussmasse versehen werden sollen. Alternatively, the enclosure can also consist of a frame in whose frame opening the circuit carrier fits exactly. After mounting the frame on the circuit board, this is thus on the outer edge of the circuit carrier. Of course, it is also possible to provide a frame which is smaller than the mounting side of the circuit substrate. With such a framework, portions of the circuit substrate can be prepared for receiving a potting compound. This represents an economical solution, in particular, if there are subregions of the circuit carrier which are not to be provided with a potting compound.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einfassung und der Schaltungsträger einstückig ausgeführt sind, das heißt, dass die Einfassung im den Schaltungsträger bildenden Substrat integriert ist. Hiermit ist gemeint, dass der Schaltungsträger und die Einfassung in einem Arbeitsgang aus einem Material hergestellt werden können. Dies kann beispielsweise eine Keramik, PCB, IMS usw. sein. Diese wird zur Herstellung in eine geeignete Form gebracht und anschließend gesintert. Die einstückige Ausführung hat den Vorteil, dass ein Wärmeübergang zwischen Schaltungsträger und Einfassung vorteilhaft ohne Übergänge direkt erfolgen kann. Außerdem lassen sich insbesondere bei der Großserienfertigung in wenigen Arbeitsschritten komplexe Formen des Schaltungsträgers mit integrierter Einfassung erzeugen. According to an alternative embodiment of the invention it is provided that the enclosure and the circuit carrier are made in one piece, that is, that the enclosure is integrated in the substrate forming the circuit substrate. By this is meant that the circuit carrier and the enclosure can be made in one operation from a material. This may be, for example, a ceramic, PCB, IMS, etc. This is brought into a suitable form for the production and then sintered. The one-piece design has the advantage that a heat transfer between circuit carrier and enclosure can be done directly without transitions directly. In addition, complex forms of the circuit carrier with integrated enclosure can be produced in a few steps, especially in mass production.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einer der Montageseite abgekehrten Rückseite des Schaltungsträgers ein erstes Kühlsystem vorgesehen ist, welches mit dem Schaltungsträger thermisch leitend verbunden ist. Eine thermisch leitende Verbindung kann beispielsweise durch einen direkten Kontakt des Kühlsystems mit dem Schaltungsträger erfolgen. Es ist aber auch möglich, einen Verbindungsstoff zwischen diesen Bauteilen vorzusehen, welcher zu einer Verbesserung der Wärmeleitung führen kann. Der Schaltungsträger kann mit dem Kühlsystem beispielsweise mittels Kleben, Löten, Sintern, Schweißen oder Stecken verbunden werden. Das Kühlsystem kann dann die in den Bauelementen entstandene und über den Schaltungsträger abgeführte Wärme aufnehmen. According to another embodiment of the invention, provision is made for a first cooling system to be provided on a rear side of the circuit carrier facing away from the mounting side, which is thermally conductively connected to the circuit carrier. A thermally conductive connection can be made for example by direct contact of the cooling system with the circuit carrier. But it is also possible to provide a connection between these components, which can lead to an improvement of the heat conduction. Of the Circuit carrier can be connected to the cooling system, for example by means of gluing, soldering, sintering, welding or plugging. The cooling system can then absorb the heat generated in the components and dissipated via the circuit carrier.
Als Kühlsysteme kommen alle bekannten Bauformen in Frage. Beispielsweise kann ein Kühlkörper aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie Aluminium, mit Kühlrippen gefertigt werden. Auch ist es möglich, dass ein massiver Kühlkörper vorgesehen wird. Der Kühlkörper kann auch einen Hohlraum aufweisen, der mit einem Latentwärme-Speichermedium gefüllt ist. Auch können in dem Kühlkörper Kühlkanäle vorgesehen sein, die mit einem Kühlmedium, wie z. B. Kühlwasser, versorgt werden. As cooling systems, all known types come into question. For example, a heat sink made of a good thermal conductivity material, such as aluminum, can be manufactured with cooling fins. It is also possible that a massive heat sink is provided. The heat sink may also include a cavity filled with a latent heat storage medium. Also, cooling channels may be provided in the heat sink, with a cooling medium, such as. As cooling water to be supplied.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch die Einfassung mit dem ersten Kühlsystem thermisch leitend verbunden ist. Dies ermöglicht es, auch über die Einfassung Wärme aus dem System abzuführen. Diese wird über die Vergussmasse und den Schaltungsträger der Einfassung zugeführt und kann dann auf das Kühlsystem übertragen werden. It is particularly advantageous if the enclosure is also thermally conductively connected to the first cooling system. This makes it possible to dissipate heat from the system via the enclosure. This is supplied via the potting compound and the circuit carrier of the enclosure and can then be transferred to the cooling system.
Eine weiterführende Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn auf dem elektrisch isolierenden Material elektrische Leitungen vorgesehen sind, die mit den Bauelementen elektrisch verbunden sind. Hierdurch entsteht vorteilhaft eine zusätzliche Kontaktierungsmöglichkeit für die verwendeten Bauelemente, die ansonsten auch über den Schaltungsträger elektrisch verbunden werden können. In diesem Fall sorgt das elektrisch isolierende Material der Vergussmasse dafür, dass die Leitungen von den Leiterbahnen auf dem Schaltungsträger elektrisch isoliert sind. Vorteilhaft können die Leitungen selbst mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen werden, damit eine elektrische Isolation nach außen möglich ist. Außerdem können die Leitungen vorteilhaft auf die Einfassung geführt werden, wo diese zuverlässige Kontaktflächen ausbilden können, da die Geometrie der Einfassung im Vergleich zur Vergussmasse besser definiert ist. Beispielsweise können die Leitungen auf der Einfassung mit elektrischen Kontaktelementen elektrisch verbunden werden. Diese Kontaktelemente dienen zum Kontaktieren des Schaltungsträgers mit externen elektrischen Anschlüssen und können in geeigneter Weise ausgeführt sein. Denkbar ist beispielsweise die Gestaltung als Kontaktstift, der zur Ausbildung von geeigneten Steckverbindungen zur Verfügung steht. A further embodiment of the invention is obtained when electrical lines are provided on the electrically insulating material, which are electrically connected to the components. This advantageously creates an additional contacting possibility for the components used, which can otherwise also be electrically connected via the circuit carrier. In this case, the electrically insulating material of the potting compound ensures that the lines are electrically insulated from the strip conductors on the circuit carrier. Advantageously, the lines themselves can be provided with an electrical insulation layer, so that an electrical insulation to the outside is possible. In addition, the lines can be advantageously performed on the enclosure, where they can form reliable contact surfaces, since the geometry of the enclosure is better defined compared to the potting compound. For example, the leads on the enclosure may be electrically connected to electrical contact elements. These contact elements serve for contacting the circuit carrier with external electrical connections and can be designed in a suitable manner. It is conceivable, for example, the design as a contact pin, which is available for the formation of suitable connectors available.
Eine besondere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass oben auf der Montageseite des Schaltungsträgers ein zweites Kühlsystem angebracht ist. Oben auf der Montageseite bedeutet, dass der Schaltungsträger bereits fertig bestückt ist. Dies bedeutet, dass der Schaltungsträger Bauelemente trägt, die in dem elektrisch isolierenden Material eingegossen oder einlaminiert (sogenannte SiPLIT-Technologie) sind. Eventuell sind auch schon die bereits erwähnten Leitungen sowie deren Isolierung mit einer Isolationsschicht vorgesehen. Auf die Isolationsschicht kann dann das zweite Kühlsystem aufgebracht werden, wobei dies auch aus einem gut leitenden metallischen Werkstoff gefertigt sein kann, wenn die Isolationsschicht einen Kurzschluss der Leitungen verhindert. Alternativ hierzu kann das Kühlsystem auch elektrisch isolierend ausgeführt sein, beispielsweise aus einer gut wärmeleitfähigen Keramik bestehen. Auch ist es möglich, das Kühlsystem aus Metall zu fertigen und mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche beispielsweise durch Beschichten zu versehen. Wenn die Oberfläche des Kühlsystems aufgrund einer Beschichtung oder einer geeigneten Werkstoffwahl elektrisch isolierend ist, kann vorteilhaft eine Isolationsschicht auf den Leitungen entfallen, da das Kühlsystem die elektrische Isolation der Leitungen übernehmen kann. A particular embodiment of the invention provides that a second cooling system is mounted on top of the mounting side of the circuit substrate. On top of the mounting side means that the circuit carrier is already fully assembled. This means that the circuit carrier carries components which are cast or laminated in the electrically insulating material (so-called SiPLIT technology). Maybe even the already mentioned lines and their insulation are provided with an insulating layer. The second cooling system can then be applied to the insulation layer, wherein this can also be made of a highly conductive metallic material, if the insulation layer prevents a short circuit of the lines. Alternatively, the cooling system can also be made electrically insulating, for example, consist of a good thermal conductivity ceramic. It is also possible to manufacture the cooling system from metal and to provide it with an electrically insulating surface, for example by coating. If the surface of the cooling system is electrically insulating due to a coating or a suitable choice of material, advantageously an insulation layer on the lines can be omitted, since the cooling system can take over the electrical insulation of the lines.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it
In
Der Schaltungsträger kann aus einer Keramik beispielsweise in Sintertechnologie gefertigt werden. Hierzu wird ein Grünling in einer Form hergestellt und anschließend im Rahmen einer Wärmebehandlung zu dem in
In
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Der Schaltungsträger
Um die in den Bauelementen
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