DE102016211648A1

DE102016211648A1 - Elektronikmodul und Modulstapel

Info

Publication number: DE102016211648A1
Application number: DE102016211648.7A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schwab; Michael Fügl; Michael Kohr; Sebastian Appel; Marcus Berner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronikmodul (100) mit zumindest einem ersten elektronischen Bauelement (102), zumindest einem zweiten elektronischen Bauelement (104) und einem zwischen dem ersten Bauelement (102) und dem zweiten Bauelement (104) angeordneten, elektrisch isolierenden Substrat (106), wobei in dem Substrat (106) zumindest ein Kühlmittelkanal (108) ausgebildet ist und zwischen dem ersten Bauelement (102) und dem Substrat (106) eine erste Kontaktierungsstruktur (110) zum elektrischen Kontaktieren des ersten Bauelements (102) angeordnet ist und zwischen dem zweiten Bauelement (104) und dem Substrat (106) eine zweite Kontaktierungsstruktur (112) zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Bauelements (104) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronikmodul, einen Modulstapel, ein Verfahren zum Herstellen eines Modulstapels sowie auf ein Verfahren zum Betreiben des Elektronikmoduls.
Elektronikbauteile, insbesondere Bauteile der Leistungselektronik werden durch Verlustleistung warm oder heiß. Die entstehende Wärmeenergie kann beispielsweise durch auf die Bauteile aufgesetzte Kühlkörper abgeführt werden.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Elektronikmodul, einen verbesserten Modulstapel, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Modulstapels sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Elektronikmoduls gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Wärmeenergie breitet sich von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke aus. Beispielsweise kann ein Kühlkörper als Wärmesenke Wärmeenergie von einem elektronischen Bauelement aufnehmen und durch Konvektion und/oder Strahlung an ein umgebendes Medium abgeben. Dabei kann der Wärmeübergang auf das Medium durch Eigenschaften des Mediums beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit eine größere Energiemenge pro Zeit abführen, als ein Gas. Ebenso kann eine turbulente Strömung im Medium den Wärmeübergang verbessern.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Substrat als Trägermaterial für elektronische Bauelemente verwendet. Das Substrat ist als Kühlkörper mit Kühlkanälen für ein Kühlmedium ausgebildet. Durch die Kühlkanäle kann als Kühlmedium insbesondere eine Flüssigkeit geleitet werden. In den Kühlkanälen kann das Kühlmedium fließen, wodurch der Wärmeübergang zwischen einer Oberfläche der Kühlkanäle und dem Kühlmedium gut ist.
Durch die resultierende intensive Kühlung der Bauelemente können die Bauelemente auf engem Raum angeordnet werden, wodurch das hier vorgestellte Modul eine hohe Leistungsdichte erreichen kann.
Es wird ein Elektronikmodul mit zumindest einem ersten elektronischen Bauelement, zumindest einem zweiten elektronischen Bauelement und einem zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordneten, elektrisch isolierenden Substrat vorgestellt, wobei in dem Substrat zumindest ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist und zwischen dem ersten Bauelement und dem Substrat eine erste Kontaktierungsstruktur zum elektrischen Kontaktieren des ersten Bauelements angeordnet ist und zwischen dem zweiten Bauelement und dem Substrat eine zweite Kontaktierungsstruktur zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Bauelements angeordnet ist.
Unter einem elektronischen Bauelement kann ein Halbleiterbauelement verstanden werden. Das Bauelement kann ein Schalter, wie beispielsweise ein Transistor eine Diode oder ein Thyristor sein. Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können gleichartig sein. Ein Substrat kann ein elektrisch isolierendes Material aufweisen. Ebenso kann das Substrat eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweisen. Ein Kühlmittelkanal kann eine Ausnehmung aus dem Substrat sein. Der Kühlmittelkanal kann parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Eine Kontaktierungsstruktur kann Leiterbahnen, Kontaktflächen und elektrisch isolierende Bereiche umfassen. Die Kontaktierungsstruktur kann ein metallisches Material umfassen. Die Bauteile können beispielsweise mit der Kontaktierungsstruktur verlötet sein.
Die erste Kontaktierungsstruktur und die zweite Kontaktierungsstruktur können über eine Seitenfläche des Substrats miteinander kontaktiert sein. Über die Seitenfläche können mehrere Leiterbahnen und/oder leitfähige Flächen führen. Durch die elektrisch leitende Verbindung der beiden Seiten des Substrats kann eine kompakte Bauweise erreicht werden. Auf gleicher Grundfläche können so doppelt so viele Bauelemente miteinander verschalten sein.
Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können zu einer Brückenschaltung verschalten sein. Bei einer Brückenschaltung ist entweder das erste oder das zweite Bauelement aktiv. Dadurch kann über den Kühlmittelkanal die Verlustleistung jeweils eines der Bauelemente einfach abgeführt werden.
Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können seitlich zueinander versetzt auf dem Substrat angeordnet sein. Das erste Bauelement kann um zumindest eine Breite des zweiten Bauelements zu dem zweiten Bauelement versetzt angeordnet sein. Durch einen seitlichen Versatz können die Bauelemente auf Lücke ausgerichtet sein. Dadurch sind mehrere Elektronikmodule aufeinander platzsparend stapelbar.
Das Elektronikmodul kann zumindest ein weiteres durch die erste Kontaktierungsstruktur kontaktiertes erstes Bauelement und alternativ oder ergänzend zumindest ein weiteres durch die zweite Kontaktierungsstruktur kontaktiertes zweites Bauelement aufweisen, wobei das weitere erste Bauelement benachbart zu dem ersten Bauelement auf dem Substrat angeordnet ist und alternativ oder ergänzend das weitere zweite Bauelement benachbart zu dem zweiten Bauelement auf dem Substrat angeordnet ist. Mehrere erste Bauelemente und/oder zweite Bauelemente können parallel geschaltet sein. Dadurch kann eine Gesamtleistung des Elektronikmoduls erhöht werden.
Die erste Kontaktierungsstruktur kann zumindest eine über das Substrat überstehende erste Kontaktfahne aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Kontaktierungsstruktur zumindest eine über das Substrat überstehende zweite Kontaktfahne aufweisen. Durch zumindest eine Kontaktfahne können die Bauelemente einfach kontaktiert werden.
Weiterhin wird ein Modulstapel mit einem ersten Deckmodul und einem zweiten Deckmodul vorgestellt, wobei das erste Deckmodul ein erstes elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal und zumindest einem auf dem ersten Substrat angeordneten ersten elektrischen Bauelement aufweist, wobei zwischen dem ersten Bauelement und dem ersten Substrat eine erste Kontaktierungsstruktur zum elektrischen Kontaktieren des ersten Bauelements angeordnet ist, und das zweite Deckmodul ein zweites elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem zweiten Kühlmittelkanal und zumindest ein auf dem zweiten Substrat angeordneten zweiten elektrischen Bauelement aufweist, wobei zwischen dem zweiten Bauelement und dem zweiten Substrat eine zweite Kontaktierungsstruktur zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Bauelements angeordnet ist, wobei die Deckmodule so gestapelt sind, dass je zumindest ein erstes Bauelement und je zumindest ein zweites Bauelement zwischen den zwei Substraten angeordnet sind.
Unter einem Deckmodul kann ein abschließendes Randmodul für den Modulstapel verstanden werden. Der kleinste Modulstapel besteht daher aus zwei Deckmodulen. Zwei Deckmodule weisen den Funktionsumfang eines zuvor vorgestellten Elektronikmoduls auf. Dabei ist die Kühlung der Bauelemente jedoch verbessert.
Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können seitlich versetzt zueinander nebeneinander angeordnet sein. Die Bauelemente können auf Lücke angeordnet sein, sodass ein Bauelement beide Substrate berührt, wodurch eine gute Wärmeabfuhr und eine geringe Höhe des Modulstapels erreicht werden.
Das zumindest eine erste Bauelement und das zumindest eine zweite Bauelement können zwischen zwei Substraten zu einer Brückenschaltung verschalten sein. Wenn der Modulstapel nur die zwei Deckmodule aufweist, kann die Brückenschaltung so besonders kurze elektrische Leitungen aufweisen.
Der Modulstapel kann zumindest ein Elektronikmodul gemäß dem hier vorgestellten Ansatz umfassen, wobei das Elektronikmodul zwischen den Deckmodulen gestapelt ist. Es können beliebig viele Elektronikmodule zwischen den Deckmodulen gestapelt werden.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Modulstapels vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines ersten Deckmoduls, das ein erstes elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal und zumindest ein auf dem ersten Substrat angeordnetes erstes elektrisches Bauelement aufweist, und Bereitstellen eines zweiten Deckmoduls, das ein zweites elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem zweiten Kühlmittelkanal und zumindest ein auf dem zweiten Substrat angeordnetes zweites elektrisches Bauelement aufweist;
Stapeln der Deckmodule aufeinander, wobei die Deckmodule so gestapelt werden, dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement zwischen den Substraten angeordnet sind.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektronikmoduls vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Ansteuern zumindest eines elektrischen Bauelements des Elektronikmoduls unter Verwendung einer zwischen dem Bauelement und einem Substrat angeordneten Kontaktierungsstruktur des Elektronikmoduls; und
Kühlen des Bauelements unter Verwendung eines durch Kühlmittelkanäle des Substrats geleiteten Kühlmittels.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
1 eine Schnittdarstellung durch ein Elektronikmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine räumliche Darstellung einer ersten Seite eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine räumliche Darstellung einer zweiten Seite eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Detaildarstellung eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine räumliche Darstellung einer ersten Seite eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Darstellung einer zweiten Seite eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Seitendarstellung eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine räumliche Darstellung eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine Seitendarstellung eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Darstellung eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine räumliche Darstellung eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine Darstellung eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
14 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Elektronikmodul 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 weist hier zwei erste elektronische Bauelemente 102 und zwei zweite elektronische Bauelemente 104 auf, zwischen denen ein Substrat 106 des Elektronikmoduls 100 angeordnet ist. Das Substrat ist elektrisch isolierend. In dem Substrat 106 sind Kühlmittelkanäle 108 ausgebildet. Zwischen den ersten Bauelementen 102 und dem Substrat 106 ist auf einer Oberfläche des Substrats 106 eine erste Kontaktierungsstruktur 110 zum elektrischen Kontaktieren der ersten Bauelemente 102 angeordnet. Zwischen den zweiten Bauelementen 104 und dem Substrat 106 ist auf der Oberfläche des Substrats 106 eine zweite Kontaktierungsstruktur 112 zum elektrischen Kontaktieren der zweiten Bauelemente 104 angeordnet.
Die Kühlmittelkanäle 108 sind in einer Mittenebene des Substrats 106 in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Alternativ können Sie dort jedoch auch in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sein. Durch die Kühlmittelkanäle 108 wird im Betrieb des Elektronikmoduls 100 ein Kühlmittel geleitet, um eine Verlustleistung der Bauelemente 102, 104 abzuführen. Die ersten und zweiten Bauelemente 102, 104 sind hier paarweise zueinander ausgerichtet angeordnet. Dabei entsprechen die zweiten Bauelemente 104 im Wesentlichen den ersten Bauelementen 102.
Es wird ein dreidimensionaler niederinduktiver Leistungsmodulaufbau 100 mit thermischer Entkopplung der topologischen Schalter 102, 104 vorgestellt. Die Schalter 102, 104 sind dabei Bauteile der Leistungselektronik. Das Halbleitermodul 100 weist einen neuartigen Aufbau und eine neuartige Form auf. Die thermische Entkopplung erfolgt dabei mittels des Substrats 106.
In IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) Leistungshalbleitermodulen, wie sie für Inverter-Schaltungen mit hohen Leistungsdichten verwendet werden, können IGBT-Chips und Dioden-Chips flächig nebeneinander auf einer Seite eines Keramiksubstrats (DBC) aufgebracht werden. Durch die Verlustleistung, die in den Chips während des Betriebs entsteht, heizen sich die Chips zyklisch je nach Beanspruchung auf. Die Verlustleistung variiert über die hohe Ansteuerfrequenz und den niederfrequenten Sinusverlauf des Phasenstroms. Typischerweise ist im Betrieb nur ein Viertel der verbauten Chips gleichzeitig aktiv.
Zudem kann ein NTC/PTC Element zur Bestimmung der einzelnen Temperaturen der Chips eingesetzt werden. Das Element kann in der Nähe der Leistungshalbleiter platziert sein und kann über das Keramiksubstrat mit den Leistungshalbleitern thermisch gekoppelt sein. Dadurch ist der Temperatursensor der mittleren Erwärmung aller verbauten Chips ausgesetzt.
Durch die räumlich beziehungsweise flächig nahe Platzierung der Leistungshalbleiter auf dem Keramiksubstrat sind die Leistungshalbleiter vergleichsweise gut miteinander thermisch gekoppelt. Daher ist ein einzelner Chip nicht nur der durch seine Verlustleistung verursachte Erwärmung ausgesetzt, sondern auch der Erwärmung seiner benachbarten Chips.
Durch den hier vorgestellten Ansatz werden die thermische Erwärmung und zyklische Temperaturschwankungen reduziert, was sich positiv auf die Lebensdauer der Chipkontaktierung auswirkt. Durch die Entkopplung der Chips 102, 104 ist von den zusätzlichen Zyklen der benachbarten Chips 102, 104, wird die Lebensdauer weiter vergrößert.
Die thermische Kopplung eines Chips 102, 104 zu einem Temperatursensor erleichtert die Diagnose. So können beobachtete Änderungen im thermischen Modulverhalten dem Chip 102, 104 beziehungsweise einer Chipgruppe oder einem Fehlermechanismus zugeordnet werden.
Der kompakte Aufbau 100 hat den Vorteil, dass der fließende Strom im Umkommutierungsvorgang von einem Chip 102 auf einen anderen Chip 104 nur eine kleinflächige Schleife aufspannt. Diese resultiert in einer geringen Modulinduktivität, welche zu Vorteilen im Schaltvorgang der Halbleiter 102, 104 führt.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden die Halbleiterchips 102, 104 auf beiden Seiten eines Substrats 106 aufgebracht, welches von einem Kühlmedium durchflossen werden kann. Auf der Oberfläche des Substrats 106 ist ein elektrisch leitfähiges Material 110, 112, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium aufgebracht. Dieses elektrisch leitfähige Material ist isoliert auf dem Substrat 106 aufgebracht, oder das Substrat 106 selbst ist elektrisch nicht leitfähig. Innerhalb des Substrats 106, parallel zur Oberfläche des Substrats 106, sind Kanäle 108 eingebracht, durch die ein Kühlmedium fließen kann.
Zudem können wie in 4 elektrisch leitfähige Verbindungen von der Oberseite auf die Unterseite eingebracht werden.
Dies ermöglicht einen neuartigen geteilten Modulaufbau 100, bei dem die topologischen Highside-Schalter 102 auf der Oberseite und die topologischen Lowside-Schalter 104 auf der Unterseite des Substrats 106 angeordnet sind. Durch den Kühlkanal 108 werden beide Seiten thermisch vollständig entkoppelt, bleiben aber elektrisch weiterhin verbunden.
Bei einem dünnen Aufbau und geeignetem Layout der der beiden Flächen 110, 112, können zudem äußerst niedrige parasitäre Modulinduktivitäten erreicht werden.
2 zeigt eine räumliche Darstellung einer ersten Seite eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht im Wesentlichen dem Elektronikmodul in 1. Im Gegensatz dazu sind die elektrischen Bauelemente hier nicht dargestellt. Hier ist die erste Kontaktierungsstruktur 110 auf einer Oberseite des Substrats 106 gezeigt. Die Kontaktierungsstruktur 112 weist Leiterbahnen 200 und Kontaktflächen 202 aus einem elektrisch leitenden Material auf. Die Leiterbahnen 200 verbinden die Kontaktflächen 202 mit einem Anschlussbereich 204 des Elektronikmoduls 100. Die einzelnen Kontaktflächen 202 sind durch Aussparungen 206 voneinander elektrisch isoliert.
3 zeigt eine räumliche Darstellung einer zweiten Seite eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 2. Hier ist die zweite Kontaktierungsstruktur 112 auf einer Unterseite des Substrats 106 dargestellt. Dabei sind die Kontaktflächen 202 für die ebenfalls nicht dargestellten zweiten elektrischen Bauelemente wie in 1 paarweise an den Kontaktflächen an der Oberseite des Substrats 106 ausgerichtet.
4 zeigt eine Detaildarstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht im Wesentlichen dem in den 1 bis 3 dargestellten Elektronikmodul. Hier ist eine Seitenfläche 400 des Substrats 106 dargestellt. Eine der Kontaktflächen 202 und drei Leiterbahnen 200 verlaufen von der Unterseite des Substrats 106 über die Seitenfläche 400 zu der Oberfläche des Substrats 106. Damit ist die zweite Kontaktierungsstruktur 112 mit der ersten Kontaktierungsstruktur elektrisch verbunden.
5 zeigt eine räumliche Darstellung einer ersten Seite eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht im Wesentlichen einem der in den 1 bis 4 dargestellten Elektronikmodule. Hier sind auf der ersten Kontaktierungsstruktur 110 drei erste elektronische Bauelemente 102 angeordnet. Die Bauelemente 102 sind dabei beabstandet zueinander angeordnet. Ein Abstand zwischen zwei Bauelementen 102 ist größer als eine Breite eines Bauelements 102. Im Gegensatz zu den Elektronikmodulen in den 1 bis 4 sind die Bauelemente 102 hier quer zu den Kühlmittelkanälen 108 ausgerichtet. Die Kühlkanäle 108 durchziehen das Substrat 106 von einer Stirnseite zu anderen Stirnseite. Die Kontaktierungsstruktur 110 weist an den Stirnseiten keine Anschlüsse auf. Die Kontaktierungsstruktur 110 ist über die Längsseiten des Substrats 106 kontaktiert.
6 zeigt eine Darstellung einer zweiten Seite eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Elektronikmodul in 5. Hier ist die zweite Kontaktierungsstruktur 112 mit drei darauf angeordneten zweiten Bauelementen 104 dargestellt. Die Kontaktierungsstruktur 112 weist eine über die Längsseite des Substrats 106 ragende Kontaktfahne 600 auf.
7 zeigt eine Seitendarstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Elektronikmodul in den 5 und 6. Die ersten Bauelemente 102 und die zweiten Bauelemente 104 sind zueinander auf Lücke angeordnet. Dabei ist die Lücke zwischen zwei Bauelementen 102, 104 auf einer Seite des Substrats 106 breiter als das jeweils auf der anderen Seite des Substrats 106 angeordnete Bauelement 102, 104. Wie in 6 ist die Kontaktfahne 600 auf der Seite der zweiten Bauelemente 104 angeordnet.
Der hier vorgestellte Ansatz kann in vielen Variationsmöglichkeiten und Kombinationsmöglichkeiten verwendet werden. Beispielsweise werden zwei Aufbauarten unterschieden. In dem in den 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Halbbrücke auf einem einzigen Substrat 106 und wie oben beschrieben aufgebaut. Dieser Aufbau zeichnet sich maßgeblich dadurch aus, dass das Kühlmittel zwischen den beiden Modulseiten fließt.
8 zeigt eine räumliche Darstellung eines Modulstapels 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Modulstapel 800 umfasst ein erstes Deckmodul 802, zwei Elektronikmodule 100, wie sie beispielsweise in den 5 bis 7 dargestellt sind und ein zweites Deckmodul 804. Die Module 100, 802, 804 weisen jeweils gleich große Substrate 106 auf und sind aufeinandergestapelt. Das erste Deckmodul 802 weist wie die Elektronikmodule 100 eine Kontaktfahne 600 auf. Beide Deckmodule 802, 804 weisen wie die Elektronikmodule 100 Kühlmittelkanäle 108 auf.
9 zeigt eine Seitendarstellung eines Modulstapels 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Modulstapel 800 entspricht dabei im Wesentlichen dem Modulstapel in B. Das erste Deckmodul 802 weist zweite elektronische Bauelemente 104 auf, die in den Zwischenräumen zwischen den ersten Bauelementen 102 des benachbarten Elektronikmoduls 100 angeordnet sind. Das zweite Deckelement 804 weist erste elektronische Bauelemente 102 auf, die in Zwischenräumen zwischen zweiten Bauelementen 104 des benachbarten Elektronikmoduls 100 angeordnet sind. Damit sind zwischen zwei Substraten 106 jeweils abwechselnd erste Bauelemente 102 und zweite Bauelemente 104 angeordnet.
10 zeigt eine Darstellung eines Modulstapels 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Modulstapel 800 entspricht im Wesentlichen dem Modulstapel in den 8 und 9. Im Gegensatz dazu sind hier das Substrat und die Kontaktierungsstruktur des ersten Deckmoduls nicht dargestellt. Dadurch sind die nebeneinander angeordneten ersten und zweiten Bauelemente 102, 104 sichtbar.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt ein Stapelaufbau 800 eines dreiphasigen Systems. Bei dem Aufbau 800 werden die Highside-Schalter 102 und Lowside-Schalter 104 in der X-Achse oder Y-Achse versetzt zueinander angeordnet, sodass die Substrate 106 beliebig kompakt stapelbar sind. Die Stapelung ermöglicht zudem, dass die nun direkt nebeneinanderliegenden Highside-Schalter 102, 104 und Lowside-Schalter eine Halbbrücke bilden. Durch den nun deutlich reduzierten Abstand der Strom führenden Flächen kann eine deutliche Reduzierung der Induktivität erreicht werden. Zudem wird eine doppelseitige Halbleiterkühlung möglich. Der Aufbau 800 ist modular und es kann ein System mit beliebiger Anzahl an Phasen aufbaut werden.
11 zeigt eine räumliche Darstellung eines Modulstapels 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Modulstapel 800 entspricht dabei im Wesentlichen dem in den 8 bis 10 dargestellten Modulstapel. Im Gegensatz dazu weist der Modulstapel 800 keine zwischen den Deckmodulen 802, 804 angeordnete Elektronikmodule auf. Hier sind die Deckmodule 802, 804 direkt aufeinandergestapelt. Zusätzlich sind hier drei erste Deckmodule 802 und drei zweite Deckmodule 804 hintereinander angeordnet, wobei die ersten Deckmodule 802 und die zweiten Deckmodule 804 je ein gemeinsames Substrat 106 mit durchgehenden Kühlmittelkanälen 108 aufweisen.
12 zeigt eine Darstellung eines Modulstapels 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Modulstapel 800 entspricht dabei im Wesentlichen dem Modulstapel in 11. Im Gegensatz dazu ist wie in 10 das Substrat des ersten Deckmoduls nicht dargestellt. Dadurch sind die nebeneinander zwischen den Substraten 106 angeordneten Bauelemente sichtbar.
In einem Ausführungsbeispiel sind die beiden Hälften des Modulaufbaus also die High-Side 102 und die Low-Side 104 auf zwei Substrate 106 verteilt. Diese Variante zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass zwei Kanäle 108 für das Kühlmittel vorhanden sind und die Halbleiter 102, 104 zweiseitig kühlbar sind. Die thermische Isolation zwischen High und Low-Side 102, 104 wird hier nicht über den Kühlkanal 108 erzielt, sondern ergibt sich durch dem Aufbau geschuldete zusätzliche thermische Kopplungswiderstände.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die technische Funktion eines Halbbrückenmoduls 100 in der Leistungselektronik umgesetzt. Diese Halbbrückenmodule 100 können zu einem Dreiphasenmodul 800 zusammengeschaltet werden.
In einem Ausführungsbeispiel sind die drei Phasen hintereinander auf einem Substrat 106 angeordnet.
Dieser Aufbau 800 kann zur Umwelt elektrisch isoliert werden. Beispielsweise kann der hier vorgestellte Aufbau 800 durch Molden, Umspritzen, Lackieren oder Umgießen in einem Rahmenmodul isoliert werden.
Der hier vorgestellte Ansatz kann in verschiedenen Varianten umgesetzt werden. Beispielsweise kann eine Halbbrücke auf der Oberseite und der Unterseite eines Substrats 106 bestückt werden. Ebenso können mehrere Halbbrücken auf den Oberseiten und den Unterseiten von mehreren, insbesondere drei Substraten als Stapel bestückt werden. Eine einzelne Halbbrücke kann auf zwei Substrate als Stapelaufbau bestückt werden. Ebenso können mehrere Halbbrücken auf zwei Substrate als Stapelaufbau von sechs Substraten hintereinander bestückt werden. Dabei sind alle Substratformen, wie beispielsweise flach und dreieckig verwendbar. Die Halbbrücken können gesamt oder einzeln ummoldet werden. Ebenso können die Modulstapel in ein Rahmenmodul integriert werden. Zum elektrischen Isolieren können die Module umspritzt oder lackiert werden.
13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Modulstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt 1300 des Bereitstellens und einen Schritt 1302 des Stapelns auf. Im Schritt 1300 des Bereitstellens werden ein erstes Deckmodul und ein zweites Deckmodul bereitgestellt. Das erste Deckmodul weist ein erstes elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal und zumindest ein auf dem ersten Substrat angeordnetes erstes elektrisches Bauelement auf. Das zweite Deckmodul weist ein zweites elektrisch isolierendes Substrat mit zumindest einem zweiten Kühlmittelkanal und zumindest ein auf dem zweiten Substrat angeordnetes zweites elektrisches Bauelement auf. Im Schritt 1302 des Stapelns werden die Deckmodule so aufeinandergestapelt, dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement zwischen den Substraten angeordnet sind.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt 1400 des Ansteuerns und einen Schritt 1402 des Kühlens auf. Im Schritt 1400 des Ansteuerns wird zumindest ein elektrisches Bauelement des Elektronikmoduls unter Verwendung einer zwischen dem Bauelement und einem Substrat angeordneten Kontaktierungsstruktur des Elektronikmoduls angesteuert. Im Schritt 1402 des Kühlens wird das Bauelement unter Verwendung eines durch Kühlmittelkanäle des Substrats geleiteten Kühlmittels gekühlt.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Elektronikmodul
102: erstes Bauelement
104: zweites Bauelement
106: Substrat
108: Kühlmittelkanal
110: erste Kontaktierungsstruktur
112: zweite Kontaktierungsstruktur
200: Leiterbahn
202: Kontaktfläche
204: Anschlussbereich
206: Aussparung
400: Seitenfläche
600: Kontaktfahne
800: Modulstapel
802: erstes Deckmodul
804: zweites Deckmodul
1300: Schritt des Bereitstellens
1302: Schritt des Stapelns
1400: Schritt des Ansteuerns
1402: Schritt des Kühlens

Claims

Elektronikmodul (100) mit zumindest einem ersten elektronischen Bauelement (102), zumindest einem zweiten elektronischen Bauelement (104) und einem zwischen dem ersten Bauelement (102) und dem zweiten Bauelement (104) angeordneten, elektrisch isolierenden Substrat (106), wobei in dem Substrat (106) zumindest ein Kühlmittelkanal (108) ausgebildet ist und zwischen dem ersten Bauelement (102) und dem Substrat (106) eine erste Kontaktierungsstruktur (110) zum elektrischen Kontaktieren des ersten Bauelements (102) angeordnet ist und zwischen dem zweiten Bauelement (104) und dem Substrat (106) eine zweite Kontaktierungsstruktur (112) zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Bauelements (104) angeordnet ist.
Elektronikmodul (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Kontaktierungsstruktur (110) und die zweite Kontaktierungsstruktur (112) über eine Seitenfläche (400) des Substrats (106) miteinander kontaktiert sind.
Elektronikmodul (100) gemäß Anspruch 2, bei dem das erste Bauelement (102) und das zweite Bauelement (104) zu einer Brückenschaltung verschalten sind.
Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Bauelement (102) und das zweite Bauelement (104) seitlich zueinander versetzt auf dem Substrat (106) angeordnet sind.
Elektronikmodul (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das erste Bauelement (102) um zumindest eine Breite des zweiten Bauelements (104) zu dem zweiten Bauelement (104) versetzt angeordnet ist.
Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem weiteren durch die erste Kontaktierungsstruktur (110) kontaktierten ersten Bauelement (102) und/oder zumindest einem weiteren durch die zweite Kontaktierungsstruktur (112) kontaktierten zweiten Bauelement (104), wobei das weitere erste Bauelement (102) benachbart zu dem ersten Bauelement (102) auf dem Substrat (106) angeordnet ist und/oder das weitere zweite Bauelement (104) benachbart zu dem zweiten Bauelement (104) auf dem Substrat (106) angeordnet ist.
Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Kontaktierungsstruktur (110) zumindest eine über das Substrat (106) überstehende erste Kontaktfahne (600) aufweist und/oder die zweite Kontaktierungsstruktur (112) zumindest eine über das Substrat (106) überstehende zweite Kontaktfahne (600) aufweist.
Modulstapel (800) mit einem ersten Deckmodul (802) und einem zweiten Deckmodul (804), wobei das erste Deckmodul (802) ein erstes elektrisch isolierendes Substrat (106) mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal (108) und zumindest einem auf dem ersten Substrat (106) angeordneten ersten elektrischen Bauelement (102) aufweist, wobei zwischen dem ersten Bauelement (102) und dem ersten Substrat (106) eine erste Kontaktierungsstruktur (110) zum elektrischen Kontaktieren des ersten Bauelements (102) angeordnet ist, und das zweite Deckmodul (804) ein zweites elektrisch isolierendes Substrat (106) mit zumindest einem zweiten Kühlmittelkanal (108) und zumindest ein auf dem zweiten Substrat (106) angeordneten zweiten elektrischen Bauelement (104) aufweist, wobei zwischen dem zweiten Bauelement (104) und dem zweiten Substrat (106) eine zweite Kontaktierungsstruktur (112) zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Bauelements (104) angeordnet ist, wobei die Deckmodule (802, 804) so gestapelt sind, dass je zumindest ein erstes Bauelement (102) und je zumindest ein zweites Bauelement (104) zwischen den zwei Substraten (106) angeordnet sind.
Modulstapel (800) gemäß Anspruch 8, bei dem das erste Bauelement (102) und das zweite Bauelement (104) seitlich versetzt zueinander nebeneinander angeordnet sind.
Modulstapel (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das zumindest eine erste Bauelement (102) und das zumindest eine zweite Bauelement (104) zwischen zwei Substraten (106) zu einer Brückenschaltung verschalten sind.
Modulstapel (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem Elektronikmodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Elektronikmodul (100) zwischen den Deckmodulen (802, 804) gestapelt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Modulstapels (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (1300) eines ersten Deckmoduls (802), das ein erstes elektrisch isolierendes Substrat (106) mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal (108) und zumindest ein auf dem ersten Substrat (106) angeordnetes erstes elektrisches Bauelement (102) aufweist, und Bereitstellen eines zweiten Deckmoduls (804), das ein zweites elektrisch isolierendes Substrat (106) mit zumindest einem zweiten Kühlmittelkanal (108) und zumindest ein auf dem zweiten Substrat (106) angeordnetes zweites elektrisches Bauelement (104) aufweist; Stapeln (1302) der Deckmodule (802, 804) aufeinander, wobei die Deckmodule (802, 804) so gestapelt werden, dass das erste Bauelement (102) und das zweite Bauelement (104) zwischen den Substraten (106) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Elektronikmoduls (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ansteuern (1400) zumindest eines elektrischen Bauelements (102, 104) des Elektronikmoduls (100) unter Verwendung einer zwischen dem Bauelement (102, 104) und einem Substrat (106) angeordneten Kontaktierungsstruktur (110, 112) des Elektronikmoduls (100); und Kühlen (1402) des Bauelements (102, 104) unter Verwendung eines durch Kühlmittelkanäle (108) des Substrats (106) geleiteten Kühlmittels.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 und 13 auszuführen.