DE102015218366A1 - Circuit-carrier module and power module - Google Patents

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Abstract

Das Schaltungsträgermodul umfasst ein Substrat sowie eine daran angeordnete und mit Kupfer gebildeten Substratmetallisierung, bei welchem eine Stromerfassungseinrichtung mit einem Referenzwiderstand vorhanden ist, wobei der Referenzwiderstand mit mindestens einem Teil der Substratmetallisierung gebildet ist. Das Leistungsmodul umfasst ein solches Schaltungsträgermodul.The circuit carrier module comprises a substrate and a substrate metallization disposed thereon and formed with copper, in which a current detection device with a reference resistor is present, wherein the reference resistor is formed with at least a part of the substrate metallization. The power module comprises such a circuit carrier module.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsträgermodul sowie ein Leistungsmodul.The invention relates to a circuit carrier module and a power module.

In leistungselektronischen Systemen, insbesondere in Schaltungsträgermodulen von Leistungsmodulen, ist es in bestimmten Anwendungsfällen, etwa zur Regelung oder hinsichtlich des Überstroms, erforderlich, den im leistungselektronischen System fließenden Strom zu messen.In power electronic systems, in particular in power module circuit carrier modules, it is necessary in certain applications, for example for regulation or overcurrent, to measure the current flowing in the power electronic system.

Typischerweise werden zur Strommessung gesonderte Stromsensoren oder Shunts eingesetzt. Es ist jedoch erforderlich, solche Stromsensoren mit einer separaten Spannungsversorgung zu versehen. Ferner benötigen solche Stromsensoren einen großen Bauraum.Typically, separate current sensors or shunts are used for current measurement. However, it is necessary to provide such current sensors with a separate power supply. Furthermore, such current sensors require a large amount of space.

Shunts sind passive Komponenten, die gesondert innerhalb oder außerhalb eines Leistungsmoduls angebracht werden. Um eine geringe Temperaturabhängigkeit der Shunts zu erreichen, wird oft ein Material mit einer geringen Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit eingesetzt. Daher sind solche Shunts separate Komponenten, die zusätzlichen Bauraum erfordern und quasi als weitere Bestandteile in ein Leistungsmodul zu integrieren sind. Dieser Umstand verringert die erforderliche Kühlung und begrenzt den messbaren Strom.Shunts are passive components that are mounted separately inside or outside a power module. In order to achieve a low temperature dependence of the shunts, a material with a low temperature dependence of the conductivity is often used. Therefore, such shunts are separate components that require additional space and are to be integrated as a kind of additional components in a power module. This reduces the required cooling and limits the measurable current.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Schaltungsträgermodul bereitzustellen, bei welchem eine Stromerfassung verbessert erfolgen kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul bereitzustellen, bei welchem eine Stromerfassung besser möglich ist.It is therefore an object of the invention to provide a circuit board module, in which a current detection can be improved. It is another object of the invention to provide a power module in which a current detection is better possible.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Schaltungsträgermodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.This object of the invention is achieved with a circuit carrier module having the features specified in claim 1 and with a power module having the features specified in claim 10. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the accompanying dependent claims, the following description and the drawings.

Das erfindungsgemäße Schaltungsträgermodul umfasst ein Substrat sowie eine an dem Substrat angeordnete und mit Kupfer gebildete Substratmetallisierung. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul ist eine Stromerfassungseinrichtung mit einem Referenzwiderstand vorhanden. Der Referenzwiderstand ist mit mindestens einem Teil der Substratmetallisierung gebildet.The circuit carrier module according to the invention comprises a substrate as well as a substrate metallization arranged on the substrate and formed with copper. In the circuit carrier module according to the invention, a current detection device with a reference resistor is present. The reference resistor is formed with at least a portion of the substrate metallization.

Als Teil des Schaltungsträgermoduls ersetzt der Referenzwiderstand bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul den im Stand der Technik separat aufgelöteten Shuntwiderstand. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul kann der Referenzwiderstand vorteilhaft bereits bei der Planung des Schaltungsträgermoduls berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß fallen folglich nicht notwendigerweise Zusatzkosten infolge eines separaten Referenzwiderstandes an. Ferner ist das Volumen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgermoduls gegenüber einem Schaltungsträgermodul, bei welchem ein separater Referenzwiderstand vorgesehen ist, reduziert. Auch lässt sich das erfindungsgemäße Schaltungsträgermodul mit geringem Gewicht ausbilden. Da das Kupfermaterial des Referenzwiderstands mit dem Material der Leiterstruktur identisch ist, weist es zugleich die gleiche Temperaturabhängigkeit auf, wie das Material der Leiterstruktur. Erfindungsgemäß kann eine Strommessung bei dem Schaltungsträgermodul daher besonders genau erfolgen. Der Referenzwiderstand kann durch seine Lage und seine Kontaktierung im Schaltungsträgermodul zudem vorteilhafterweise bestmöglich gekühlt werden.As part of the circuit carrier module, the reference resistor replaces the shunt resistor separately soldered in the prior art in the circuit carrier module according to the invention. In the case of the circuit carrier module according to the invention, the reference resistor can advantageously already be taken into account in the planning of the circuit carrier module. Consequently, according to the invention, additional costs do not necessarily arise due to a separate reference resistor. Furthermore, the volume of the circuit carrier module according to the invention is reduced compared to a circuit carrier module in which a separate reference resistor is provided. Also, the circuit substrate module according to the invention can be formed with low weight. Since the copper material of the reference resistor is identical to the material of the conductor structure, it also has the same temperature dependence as the material of the conductor structure. According to the invention, a current measurement in the circuit carrier module can therefore be particularly accurate. The reference resistor can also advantageously be best possible cooled by its location and its contact in the circuit board module.

Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsmäßen Schaltungsträgermodul das Substrat ein Keramiksubstrat. Gerade Keramiksubstrate lassen sich mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und somit mit einer hervorragenden Kühlbarkeit realisieren.Conveniently, in the circuit carrier module according to the invention, the substrate is a ceramic substrate. Especially ceramic substrates can be realized with a high thermal conductivity and thus with excellent cooling.

Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist das Schaltungsträgermodul mit einem PCB-Modul gebildet. Typischerweise werden Keramiksubstrate oder PCB-Module mittels ihrer Substratmetallisierungen strukturiert, so dass beim Strukturieren das Vorsehen des Referenzwiderstandes leicht erfolgen kann.Alternatively or additionally, and also preferably, the circuit carrier module is formed with a PCB module. Typically, ceramic substrates or PCB modules are patterned by means of their substrate metallizations, so that the provision of the reference resistor can be easily performed during patterning.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltungsträgermoduls ist dieses Schaltungsträgermodul mit einem DCB-Modul (DCB = „Direct Bonded Copper”) und/oder CBC-Modul (CBC = „Copper Plated Ceramic”) gebildet. Gerade bei DCB-Modulen und bei CBC-Modulen erfolgt die Strukturierung mittels Kupfermetallisierungen des Substrats, sodass sich in diesen Weiterbildungen ein in die Schaltung integrierter Referenzwiderstand mit einer zugleich vorteilhaft hohen Wärmeleitfähigkeit eines keramischen Substrats realisieren lässt.In an advantageous development of the circuit carrier module according to the invention, this circuit carrier module is formed with a DCB module (DCB = Direct Bonded Copper) and / or CBC module (CBC = Copper Plated Ceramic). Especially in the case of DCB modules and CBC modules, the structuring takes place by means of copper metallizations of the substrate, so that in these developments, a reference resistor integrated into the circuit can be realized with a heat conductivity of a ceramic substrate that is advantageously high.

Vorteilhaft können bei der Strukturierung des Schaltungsträgermoduls nicht nur der Referenzwiderstand, sondern auch die Messanschlüsse bei der Planung geeignet angepasst sein. Die Gestaltung des Referenzwiderstandes erlaubt insbesondere für die Anwendung in der Leistungselektronik sehr kleine Widerstandswerte bei gleichzeitig sehr hohem Strom. Geeigneterweise ist die Dicke des Referenzwiderstandes an die unterschiedlichen Anwendungsfälle (etwa vom Bereich Automotive bis zur Windkraft) geeignet anpassbar.In the structuring of the circuit carrier module, not only the reference resistance but also the measuring connections can advantageously be suitably adapted during planning. The design of the reference resistor allows, in particular for use in power electronics very small resistance values at the same time very high power. Suitably, the thickness of the reference resistor is suitably adaptable to the different applications (for example, from the automotive sector to wind power).

Zweckmäßigerweise weist bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermoduls die Temperaturerfassungseinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf. Geeigneterweise ist der zumindest eine Temperatursensor an der Substratmetallisierung angeordnet. Auf diese Weise berücksichtigt die Temperaturerfassungseinrichtung hochpräzise die an der Leiterstruktur und damit auch am Referenzwiderstand vorherrschende Temperatur. Expediently, in the case of the circuit carrier module according to the invention, the temperature detection device has at least one temperature sensor. Suitably, the at least one temperature sensor is disposed on the substrate metallization. In this way, the temperature detection device takes into account the temperature prevailing at the conductor structure and thus also at the reference resistance with high precision.

Beispielsweise ist ein NTC-Widerstand mit einem Microcontroller auf der Substratmetallisierung vorgesehen, was beim planaren Aufbau des Schaltungsträgermoduls leicht bewerkstelligbar ist.For example, an NTC resistor is provided with a microcontroller on the substrate metallization, which is easily accomplished in the planar structure of the circuit substrate module.

Alternativ oder zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul ein Kühlkreislauf Bestandteil des Schaltungsträgermoduls sein, bei welchem der zumindest ein Temperatursensor mit dem Kühlkreislauf thermisch kontaktiert ist. Insbesondere ist der Temperatursensor in einem Kühlfluidpfad des Kühlkreislaufs gelegen. So kann von der Temperatur eines Kühlfluids im Kühlkreislauf auf die Temperatur des Referenzwiderstandes geschlossen werden.Alternatively or additionally, in the circuit carrier module according to the invention, a cooling circuit may be part of the circuit carrier module, in which the at least one temperature sensor is thermally contacted with the cooling circuit. In particular, the temperature sensor is located in a cooling fluid path of the refrigeration cycle. Thus it can be concluded from the temperature of a cooling fluid in the cooling circuit to the temperature of the reference resistor.

Geeigneterweise weist bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul der Schaltungsträger Messanschlüsse auf, welche an der Substratmetallisierung angeordnet sind. Bei der Strukturierung der Substratmetallisierung können die Messanschlüsse im Layout für eine hochpräzise Messung des Referenzwiderstandes geeignet angepasst sein.Suitably, in the circuit carrier module according to the invention, the circuit carrier has measuring terminals, which are arranged on the substrate metallization. When structuring the substrate metallization, the measurement connections in the layout can be suitably adapted for a high-precision measurement of the reference resistance.

Geeigneterweise sind bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul die Messanschlüsse abseits des Substrats an der Substratmetallisierung angeordnet.Suitably, in the case of the circuit carrier module according to the invention, the measuring connections are arranged on the substrate metallization apart from the substrate.

In einer geeigneten Weiterbildung weist bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul der Referenzwiderstand einen Hinleiter und einen Rückleiter auf, wobei der Rückleiter die Induktivität des Hinleiters und/oder der Hinleiter die Induktivität des Rückleiters zumindest teilweise kompensiert. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist ein erfindungsgemäßes Schaltungsträgermodul wie zuvor beschrieben auf.In a suitable development, in the circuit carrier module according to the invention, the reference resistor has a forward conductor and a return conductor, wherein the return conductor at least partially compensates for the inductance of the forward conductor and / or the forward conductor for the inductance of the return conductor. The power module according to the invention has a circuit carrier module according to the invention as described above.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

1 einen Referenzwiderstand eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgermoduls eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls schematisch in einer Draufsicht sowie 1 a reference resistor of a circuit substrate module according to the invention of a power module according to the invention schematically in a plan view and

2 ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul mit einem erfindungsgemäßen Schaltungsträgermodul mit dem Referenzwiderstand gemäß 1 schematisch in einer Draufsicht. 2 a power module according to the invention with a circuit carrier module according to the invention with the reference resistor according to 1 schematically in a plan view.

Das in 2 dargestellte Leistungsmodul 10 weist ein Keramiksubstrat 15 mit einander abgewandten Flachseiten auf. Die in 2 dem Betrachter zugewandte Flachseite 20 ist mit einer mit Kupfer gebildeten oberflächlichen Substratmetallisierung 30 versehen. Das Keramiksubstrat 15 mit der Substratmetallisierung 30 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als DCB-Modul ausgebildet. Alterantiv kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Keramiksubstrat 15 mit der Substratmetallisierung 30 als CBC-Modul ausgebildet sein. Die Substratmetallisierung 30 umfasst einen als Flachteil gebildeten Substratmetallisierungsteil 40, welcher in seinen flächigen Erstreckungen einen einfach zusammenhängenden Metallisierungsbereich bildet.This in 2 illustrated power module 10 has a ceramic substrate 15 with flat sides facing away from each other. In the 2 the viewer facing flat side 20 is with a superficial substrate metallization formed with copper 30 Mistake. The ceramic substrate 15 with the substrate metallization 30 is formed in the embodiment shown as a DCB module. Alterantiv may in another embodiment, the ceramic substrate 15 with the substrate metallization 30 be designed as a CBC module. The substrate metallization 30 comprises a substrate metallization part formed as a flat part 40 , which forms in its planar extensions a simply contiguous Metallisierungsbereich.

Der einfach zusammenhängende Metallisierungsbereich ist H-förmig (s. a. 1) ausgebildet mit zwei rechteckförmigen Teilbereichen 50, deren jeweils längere Längserstreckungen zueinander parallel verlaufen. Diese beiden rechteckförmigen Teilbereiche 50 sind miteinander mit einem senkrecht zu den Längserstreckungen verlaufenden Steg 60 verbunden. Die rechteckförmigen Teilbereiche 50 und der Steg 60 bilden eine zusammenhängende Substratmetallisierung, d. h., die Substratmetallisierung 40 ist als einstückige Substratmetallisierung 40 auf dem Substrat gefertigt.The simply connected metallization region is H-shaped (see also FIG 1 ) formed with two rectangular sections 50 , Whose longer longitudinal extents run parallel to each other. These two rectangular sections 50 are interconnected with a perpendicular to the longitudinal extensions web 60 connected. The rectangular sections 50 and the jetty 60 form a contiguous substrate metallization, ie, the substrate metallization 40 is as a one-piece substrate metallization 40 made on the substrate.

Der Steg 60 bildet einen Referenzwiderstand, wobei der gesamte, zwischen beiden Teilbereichen 50 gelegene Längsabschnitt 70 für eine Strommessung herangezogen wird. Zur Strommessung ist eine Strommessschaltung vorhanden, welche nicht im Einzelnen dargestellt ist. Die Strommessschaltung umfasst zwei Kontakte 80, welche an den Endpunkten des Längsabschnitts 70 ankontaktiert sind. Die beiden Kontakte 80 sind an eine Flachseite des Substratmetallisierungsteils 40 angeordnet, welche vom Keramiksubstrat 15 abgewandt ist.The jetty 60 forms a reference resistor, the whole, between the two sub-areas 50 located longitudinal section 70 is used for a current measurement. For current measurement, a current measuring circuit is present, which is not shown in detail. The current measuring circuit comprises two contacts 80 , which at the end points of the longitudinal section 70 are contacted. The two contacts 80 are to a flat side of the Substratmetallisierungsteils 40 arranged, which of the ceramic substrate 15 turned away.

Das Substratmetallisierungsteil 40 ist an die übrigen Schaltungsteile des Leistungsmoduls 10 mittels zweier Kontakte 90 angebunden, welche an den Teilbereichen 50 des Substratmetallisierungsteils 40 an dessen dem Keramiksubstrat 15 abgewandter Flachseite ankontaktiert sind.The substrate metallization part 40 is to the other circuit parts of the power module 10 by means of two contacts 90 tied, which at the subregions 50 the Substratmetallisierungsteils 40 on the ceramic substrate 15 turned away flat side are contacted.

Nicht eigens dargestellt ist ein Temperatursensor vorhanden, welcher – durch eine Isolierschicht zur elektrischen Isolation von der Substratmetallisierung 30 elektrisch isoliert – zur Temperaturkompensation dient. Alternativ ist einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kühlkreislauf vorhanden, welcher Kühlwasser zur Kühlung am Leistungsmodul 10 entlang leitet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Temperatursensor in einem Kühlwasserpfad des Kühlkreislaufs vorhanden, welcher einen Rückschluss aufgrund der Kühlwassertemperatur auf die Temperatur des Stegs 60 erlaubt. Alternativ oder zusätzlich ist ein Temperatursensor auf dem Steg 60 ankontaktiert.Not specifically shown, a temperature sensor is present, which - by an insulating layer for electrical insulation of the Substratmetallisierung 30 electrically isolated - used for temperature compensation. Alternatively, a further, not specifically illustrated embodiment, a cooling circuit is present, which cooling water for cooling on the power module 10 passes along. In this exemplary embodiment, a temperature sensor is present in a cooling water path of the cooling circuit, which inferences due to the cooling water temperature to the temperature of the web 60 allowed. Alternatively or additionally, a temperature sensor on the bridge 60 ankontaktiert.

In einem weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Schaltungsträgermodul einen solchen Referenzwiderstand auf, welcher mit einem Hinleiter und einem Rückleiter gebildet ist, welche sich jeweils flächig und im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, wobei der Rückleiter die Induktivität des Hinleiters und/oder der Hinleiter die Induktivität des Rückleiters zumindest teilweise kompensiert. Zweckmäßig ist der Hinleiter und/oder ist der Rückleiter mit einer Substratmetallisierung gebildet.In a further embodiment, not shown, the circuit carrier module to such a reference resistor, which is formed with a forward conductor and a return conductor, each extending flat and substantially parallel to each other, wherein the return conductor, the inductance of the Hinleiters and / or the forward conductor, the inductance the return conductor at least partially compensated. Suitably, the forward conductor and / or the return conductor is formed with a substrate metallization.

Claims (10)

Schaltungsträgermodul, umfassend ein Substrat (15) sowie eine daran angeordnete und mit Kupfer gebildete Substratmetallisierung (30), bei welchem eine Stromerfassungseinrichtung mit einem Referenzwiderstand (60) vorhanden ist, wobei der Referenzwiderstand (60) mit mindestens einem Teil (40) der Substratmetallisierung (30) gebildet ist.Circuit-carrier module comprising a substrate ( 15 ) and a substrate metallization arranged thereon and formed with copper ( 30 ), in which a current detection device with a reference resistor ( 60 ), the reference resistance ( 60 ) with at least one part ( 40 ) of substrate metallization ( 30 ) is formed. Schaltungsträgermodul nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat (15) ein Keramiksubstrat ist.A circuit carrier module according to claim 1, wherein the substrate ( 15 ) is a ceramic substrate. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem PCB-Modul gebildet ist.Circuit-support module according to one of the preceding claims, which is formed with a PCB module. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem DCB-Modul (10) gebildet ist.Circuit-support module according to one of the preceding claims, which is provided with a DCB module ( 10 ) is formed. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem CBC-Modul gebildet ist.Circuit-carrier module according to one of the preceding claims, which is formed with a CBC module. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperaturerfassungseinrichtung mindestens einen Temperatursensor umfasst.Circuit-support module according to one of the preceding claims, wherein the temperature detection device comprises at least one temperature sensor. Schaltungsträgermodul nach dem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zumindest ein Temperatursensor an der Substratmetallisierung (30) angeordnet ist.Circuit-support module according to the preceding claims, in which the at least one temperature sensor is connected to the substrate metallization ( 30 ) is arranged. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Kühlkreislauf mit einem thermisch an das Substrat kontaktierten Kühlfluidpfad.Circuit-support module according to one of the preceding claims, comprising a cooling circuit with a cooling fluid path which is thermally contacted to the substrate. Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Referenzwiderstand mit einem Hinleiter und einem Rückleiter gebildet ist, wobei der Rückleiter die Induktivität des Hinleiters und/oder der Hinleiter die Induktivität des Rückleiters zumindest teilweise kompensiert.Circuit-carrier module according to one of the preceding claims, wherein the reference resistor is formed with a forward conductor and a return conductor, wherein the return conductor at least partially compensates the inductance of the Hinleiters and / or the forward conductor, the inductance of the return conductor. Leistungsmodul mit einem Schaltungsträgermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Power module with a circuit carrier module according to one of the preceding claims.
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