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Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltung mit einem keramischen Kühlkörper zur Wärmeabführung an die Umgebung und einer auf einer Oberfläche des keramischen Kühlkörpers angeordneten ersten metallischen Schicht.
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Keramikkühlkörper zeichnen sich durch ihre hohe Spannungsfestigkeit bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit aus, sodass sie für den Einsatz in Leistungsumrichtern sehr interessant sind. Weiterhin ist es möglich, das Kühlmedium sehr dicht und elektrisch isoliert an den Leistungshalbleitern vorbei zu führen und so eine sehr gute Entwärmung zu erreichen. Heutige Keramikumrichter umfassen eine auf dem Kühlkörper angeordnete Kupferschicht, auf die die Bauelemente wie beispielsweise Halbleiterchips aufgebracht sind. Nachteilig ergibt sich dabei je nach Fläche zwischen Hin- und Rückleiter eine hohe Streuinduktivität, die bedingt, dass die Leistungshalbleiter langsam geschaltet werden müssen. Ein langsames Schalten bedingt wiederum erhöhte Schaltverluste.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leistungselektronische Schaltung mit einem keramischen Kühlkörper anzugeben, die das eingangs beschriebene Problem vermindert.
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Diese Aufgabe wird durch eine leistungselektronische Schaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösung.
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Die erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung umfasst einen keramischen Kühlkörper zur Wärmeabführung an die Umgebung und eine auf einer Oberfläche des keramischen Kühlkörpers angeordnete erste metallische Schicht, weiterhin eine auf der ersten metallischen Schicht angeordnete elektrisch isolierende Isolationsschicht und eine auf der Isolationsschicht angeordnete zur ersten metallischen Schicht parallel angeordnete zweite metallische Schicht, wobei die zweite metallische Schicht eine Strukturierung in voneinander elektrisch isolierte Teilbereiche aufweist, wobei ein Teil der Teilbereiche der elektrischen Kontaktierung von Ansteuerelektroden zugeordnet ist, wobei die erste metallische Schicht Aussparungen im Bereich unter denjenigen Teilbereichen aufweist, die der elektrischen Kontaktierung von Ansteuerelektroden zugeordnet sind.
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Keramisch bezeichnet dabei ein Material oder Materialgemisch, das anorganisch und nichtmetallisch ist.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine weitere metallisch leitende Schicht in einer Ebene parallel zur zweiten metallischen Schicht, mittels derer die leistungselektronischen Komponenten der Schaltung kontaktiert sind, nämlich die erste metallische Schicht, angeordnet auf dem keramischen Kühlkörper und unter der zweiten metallischen Schicht, die Streuinduktivitäten deutlich absenkt und so vorteilhaft die möglichen Schaltgeschwindigkeiten erhöht.
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Vorteilhaft ist es, wenn die erste metallische Schicht eine Formgebung aufweist, durch die Bereiche unterhalb von Teilbereichen der zweiten metallischen Schicht, die der elektrischen Kontaktierung von Ansteuerelektroden zugeordnet sind, in der ersten metallischen Schicht ausgespart werden.
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Mit anderen Worten ist die erste metallische Schicht eine durchgehende Schicht, die aber unterhalb der Ansteuerelektroden nicht fortgesetzt ist. Hierdurch wird die kapazitive Kopplung zwischen den Ansteuerelektroden und weiteren Elektroden wie den Leistungsanschlüssen vermindert und damit die mögliche Schaltgeschwindigkeit weiter erhöht, da durch die kapazitive Kopplung abgeleitete Schaltströme vermindert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die erste metallische Schicht eine Strukturierung in voneinander elektrisch isolierte erste Teilbereiche auf, die jeweils entweder im Wesentlichen unterhalb von Teilbereichen der zweiten metallischen Schicht liegen, die der elektrischen Kontaktierung von Ansteuerelektroden zugeordnet sind oder im Wesentlichen abseits dieser Teilbereiche liegen.
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Mit anderen Worten ist die erste metallische Schicht in erste Teilbereiche unterteilt, die entweder unter den Ansteuerelektroden liegen oder aber außerhalb der Ansteuerelektroden. Damit wird wiederum die kapazitive Kopplung zwischen den Ansteuerelektroden und weiteren Elektroden wie den Leistungsanschlüssen vermindert und damit die mögliche Schaltgeschwindigkeit weiter erhöht, da durch die kapazitive Kopplung abgeleitete Schaltströme vermindert werden. Gleichzeitig wird aber im Bereich unterhalb der Ansteuerelektroden durch isolierte Bereiche der ersten metallischen Schicht die gleiche bauliche Höhe der ersten metallischen Schicht hergestellt, wodurch der Aufbau der Isolationsschicht zwischen erster und zweiter metallischer Schicht vereinfacht wird.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist die erste metallische Schicht gleich strukturiert wie die zweite metallische Schicht. Hierdurch wird der Aufwand beim Aufbau minimiert.
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Die Isolationsschicht ist bevorzugt weniger als 100 µm dick, insbesondere weniger als 10 µm dick. Die geringe Dicke sorgt für eine besonders gute Wirkung bei der Reduzierung der Streuinduktivität. Die Isolationsschicht besteht bevorzugt im Wesentlichen aus Glas, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Der keramische Kühlkörper besteht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden an Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren erläutert. Dabei zeigen schematisch
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1 eine leistungselektronische Schaltung mit keramischem Kühlkörper im Querschnitt;
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2 die Strukturierung der Kupferschicht zur Kontaktierung sowie eine erste Möglichkeit für die Strukturierung einer unterliegenden metallischen Schicht;
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3 eine zweite Möglichkeit der Strukturierung der unterliegenden metallischen Schicht;
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4 eine dritte Möglichkeit der Strukturierung der unterliegenden metallischen Schicht.
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1 zeigt einen stark schematisierten, vereinfachten und nicht maßstäblichen Querschnitt durch eine leistungselektronische Schaltung. Die Basis der leistungselektronischen Schaltung wird von einem Kühlkörper 4 aus Aluminiumoxid gebildet. Der Kühlkörper 4 umfasst Leitungen 41 zur Durchleitung von Wasser als Kühlflüssigkeit zum Abtransport der Abwärme der leistungselektronischen Schaltung. Auf einer Oberfläche 42 des Kühlkörpers 4 ist eine erste metallische Schicht 5 angeordnet. Die erste metallische Schicht 5 weist dabei eine Strukturierung auf, die durchgängig unter dem nachfolgend beschriebenen Lastkreis angebracht ist. Die erste metallische Schicht 5 dieses Beispiels ist 35 µm dick und besteht aus Kupfer. Es sind aber auch andere Dicken vorstellbar, beispielsweise 10 µm, 70 µm oder 100 µm. Neben Kupfer kann die erste metallische Schicht auch aus anderen Metallen wie Aluminium bestehen oder ein Materialgemisch umfassen, beispielsweise eine Kupferlegierung.
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Die erste metallische Schicht 5 bedeckend ist eine Glasschicht 1 angeordnet, die eine elektrische Isolation der ersten metallischen Schicht 5 zum weiteren Aufbau hin bewirkt. Die Glasschicht 1 ist in diesem Beispiel 5 µm dick. Auch diese isolierende Schicht kann andere Dicken aufweisen, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 µm und 50 µm. Materialien, die anstelle von Glas verwendet werden können, umfassen anorganische Materialien wie Keramik.
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Auf der Glasschicht 1 ist eine zweite metallische Schicht 2 angeordnet, die ebenfalls strukturiert ist. Die zweite metallische Schicht 2 dient der elektrischen Anbindung eines leistungselektronischen Bauteils 7. Die Strukturierung der zweiten metallischen Schicht 2, die beispielhaft in 2 dargestellt ist, orientiert sich daher an den Gegebenheiten der leistungselektronischen Schaltung. Durch die Strukturierung ist die zweite metallische Schicht 2 in Teilbereiche 21, 22 unterteilt. Dabei bilden die Teilbereiche 21 den Lastkreis, der hohe Ströme trägt und der Teilbereich 22 dient der Kontaktierung von Ansteuerelektroden des leistungselektronischen Bauteils 7. Im vorliegenden Beispiel entfallen zwei Teilbereiche 21 auf den Lastkreis und ein Teilbereich 22 auf die Ansteuerelektroden.
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2 zeigt implizit auch ein erstes Ausführungsbeispiel für die Strukturierung der ersten metallischen Schicht 5. Die äußere Struktur der zweiten metallischen Schicht 2 ist in diesem Beispiel exakt auch in der ersten metallischen Schicht 5 wiedergegeben. Damit weist die erste metallische Schicht 5 Aussparungen unterhalb der Teilbereiche 22 für Ansteuerelektroden auf, die in den Abständen zwischen der Teilbereichen 51, 52 der ersten metallischen Schicht 5 bestehen. Die erste metallische Schicht 5 weist aber zweckmäßig keine Kontaktierung nach außen auf. In der ersten metallischen Schicht 5 können sich Wirbelströme ausbilden, die die Streuinduktivität stark reduzieren.
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Gleichzeitig wird durch die Strukturierung der ersten metallischen Schicht 5 in die elektrisch voneinander isolierten Teilbereiche 51, 52 eine kapazitive Kopplung von Ansteuerelektroden und Lastkreis in der zweiten metallischen Schicht 2 über die erste metallische Schicht 5 weitgehend vermieden, da sich keine Bereiche der ersten metallischen Schicht 2 von unterhalb der Ansteuerelektroden zu unterhalb des Lastkreises erstrecken. Kriechströme und Umladungseffekte bei Schalthandlungen (springende Potentiale) werden so minimiert und das Schwingverhalten reduziert.
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Bevorzugt ist die erste metallische Schicht 5 unterhalb des Lastkreises als möglichst durchgehende Kupferfläche ausgebildet, damit sich die Wirbelströme möglichst gut ausbilden können. Ein Beispiel für eine Gestaltung in dieser Richtung ist in 3 dargestellt. In 3 ist die erste metallische Schicht 5 in zwei Teilbereiche 51, 52 aufgeteilt, die jetzt aber die Strukturierung der zweiten metallischen Schicht 2 nur noch grob wiedergeben. Wieder sind unterhalb der Teilbereiche 22 für Ansteuerelektroden Aussparungen in Form von Abständen vorhanden, die eine elektrische Isolation der Teilbereiche 51, 52 voneinander bewirken. Der Teilbereich 51 der ersten metallischen Schicht 5, der zu Teilbereichen 21 des Lastkreises gehört, ist jedoch flächig und ausgedehnt gestaltet, soweit er dadurch nicht den Teilbereich 52 berührt, der unter dem Teilbereich 22 für die Ansteuerelektrode liegt. Damit wird die Bildung der Wirbelströme in der ersten metallischen Schicht 5 begünstigt. Hierdurch können die Schaltverluste deutlich gesenkt werden. Beispielsweise kann so eine Senkung der Streuinduktivität auf etwa die Hälfte erreicht werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung gemäß 4 sind die Aussparungen in der ersten metallischen Schicht 5 unter dem Teilbereich 22 für die Ansteuerelektrode so gestaltet, dass dieser Teilbereich 22 in der ersten metallischen Schicht 5 gar nicht wiedergegeben ist. Mit anderen Worten umfasst die erste metallische Schicht 5 nun nur einen oder mehrere Teilbereiche 51 unterhalb des Lastkreises.
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Vorteilhaft kann die stromführende Schicht durch Siebdruckverfahren in mehreren Schichten aufgetragen werden, wobei eine Strukturierung in der Höhe vorgenommen wird. Diese Strukturierung besteht darin, die stromführende Schicht beispielsweise mit Rillen zu versehen, die die Oberfläche der Schicht vergrößern. Bei hochtaktenden Anwendungen fließt der Strom vorwiegend an der Oberfläche (Skineffekt), sodass durch eine Oberflächenvergrößerung der Widerstand des Leiters und damit die Verluste abnehmen. Durch eine gezielte Strukturierung ist bei hochtaktenden Anwendungen mit einer Frequenz von mehr als 100kHz eine Reduktion der Verlustleistung im Leiter auf 25% möglich.
