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Die Erfindung betrifft eine Steuerelektronik zur Ansteuerung eines elektrischen Motors in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Bei bekannten Steuerelektroniken zur Ansteuerung eines elektrischen Motors sind Halbleiterbauelemente auf eine Leiterplatte gelötet. Die Kühlung des Halbleiterbauelements erfolgt über Kühlkörper, die auf der dem Halbleiterbauelement gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet sind. Nachteilig ist, dass für die Kühlung der Halbleiterbauelemente auf der Rückseite der Leiterplatte ausreichend Platz für den Kühlkörper vorgehalten werden muss. Diese Fläche steht nicht mehr für die Verdrahtung bzw. zusätzliche Bauelemente zur Verfügung.
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Ferner sind Halbleiterbauelemente mit einem nach außen geführten metallischen Wärmeleiter bekannt, die direkt mit dem Kühlkörper verbunden sind. Es muss hierbei jedoch auf eine elektrische Isolation geachtet werden, welche eine elektrische Energieübertragung von dem Kühlkörper auf das Halbleiterbauelement und umgekehrt verhindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist vorteilhaft, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine verbesserte Kühlwirkung der Halbleiterbauelemente erreicht wird. Ferner ist die Fläche auf der Rückseite der Leiterplatte nicht von Kühlkörpern belegt. Weiterhin ist vorteilhaft, dass keine zusätzlichen Mittel benötigt werden um eine ungewollter elektrischer Energieübertragung zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbaueelement zu verhindert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Besonders vorteilhaft ist, dass zwischen der Moldmasse des Halbleiterbauelements und dem Kühlkörper eine Wärmeleitmasse ausgebildet ist. Die Wärmeleitmasse ist insbesondere als Wärmeleitpaste, als ein Gap-Füller oder als ein Kleber ausgebildet. Vorzugsweise umgibt die Wärmeleitmasse das Halbleiterbauelement an den Flächen, die nicht der Leiterplatte zugerichtet sind.
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Vorteilhaft ist, dass die Moldmasse elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die elektrische Isolierung verhindert eine Beschädigung des Halbleiterchips des Halbleiterbauelements vor elektrischen Stromschlägen von außerhalb. Auch wird eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement verhindert.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass zumindest eines der Leitelemente und/oder der Leadframe als 150 bis 250 Mikrometer dickes Blechelement ausgebildet ist. Es ergibt sich ein Halbleiterbauelement mit einer geringen Abmessung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper. Ferner ist vorteilhaft, dass sich die Abmessung, insbesondere die Dicke, der Steuerelektronik verringert. Auch ist vorteilhaft, dass das Leiterelement und/oder der Leadframe Kupfer enthält, was eine kostengünstige Herstellung gewährleistet.
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Vorteilhaft ist, dass die Moldmasse zumindest in dem Teilbereich zwischen dem Kühlkörper und mindestens einem der Leitelemente eine Dicke d von 50 bis 200 Mikrometer, insbesondere von 80 bis 120 Mikrometer aufweist. Durch eine entsprechende Dicke d der Moldmasse ist eine gute Wärmeübertragung von dem Halbleiterchip zu dem Kühlkörper gegeben.
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Als vorteilhaft ist anzusehen, dass das Halbleiterbauelement mit seinem Leadframe der Leiterplatte zugerichtet ist. Das Halbleiterbauelement liegt vorzugsweise mit seinem Leadframe an der Leiterplatte an oder ist mit dieser verlötet.
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Ferner ist vorteilhaft, dass der Halbleiterchip zwischen dem Leadframe und dem Leitelement angeordnet, insbesondere mit diesen verlötet und/oder gesintert ist. Das Halbleiterbauelement und damit die Steuerelektronik kann mittels eines kostengünstigen Verfahrens hergestellt werden.
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Vorteilhaft ist, dass das Leitelement mindestens einen Anschlusspin aufweist, der aus der Moldmasse herausgeführt ist und die Leiterplatte und das Leitelement elektrisch verbindet. Es wird eine elektrische Kontaktierung ermöglicht ohne die Gesamtdicke des Halbleiterbauelements zu beeinflussen.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Leiterplatte an ihrer Oberfläche Leiterbahnen aufweist, die insbesondere Lötpads bilden oder mit diesen verbunden sind. Die Lötpads sind an der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet. Durch die Lödpads können die Halbleiterbauelemente auf einfache Weise, beispielsweise mittels Löten mit der Leiterplatte und deren Leiterbahnen elektrische verbunden werden. Das Verbinden der Halbleiterbauelemente mit der Leiterplatte mittels löten ermöglicht gleichzeitig das elektrische und/oder mechanische Kontaktierung des Halbleiterbauelements an der Leiterplatte.
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Vorteilhaft ist, dass der Halbleiterchip über den Leadframe und/oder das Lötpad und/oder die Wärmeleitmasse zumindest teilweise derart mit dem Kühlkörper verbunden ist, dass die in dem Halbleiterchip entstehende Wärme zusätzlich darüber zu dem Kühlkörper abführbar ist.
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Von Vorteil ist, dass zumindest eines der Lötpads von seiner flächenmäßigen Abmessung größer als der Leadframe ausgebildet ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass der über das Halbleiterbauelement hinausstehend Teil des Lötpads thermisch mit dem Kühlkörper über die Wärmeleitpaste verbunden ist. Die Ableitung der Wärme weg von dem Halbleiterchip wird hierdurch verbessert.
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Besonders vorteilhaft ist, dass Halbleiterchip zumindest einen Leistungsschalter, insbesondere einen Transistor, vorzugsweise einen MOSFET oder IGBT umfasst.
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Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild,
- 2 eine Schnittansicht durch einen Teil der erfindungsgemäßen Steuerelektronik,
- 3 eine perspektivische Ansicht des Halbleiterbauelements,
- 4 eine Schnittansicht durch einen Teil der erfindungsgemäßen Steuerelektronik und
- 5 und 6 verschiedene Ausgestaltungen des Lötpads.
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Das in 1 dargestellt Blockschaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Steuerelektronik 1 zur Ansteuerung und/oder Regelung eines elektrischen Motors 5. Die Steuerelektronik 1 wird insbesondere in einem Fahrzeug zum Ansteuern und/oder Regeln eines Kleinmotors, wie beispielsweise eines Pumpenmotors, eines Lüftermotors, eines Lenkantriebmotors, eines Scheibenwischermotors, eines Motors zur Verstellung von Sitzen, eines Schiebedachmotors, eines Motors zur Verstellung der Kofferraumklappe eingesetzt.
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Zur Ansteuerung und/oder Regelung des elektrischen Motors 5 weist die Steuerelektronik 1 mindestens ein, vorzugsweise mehr als ein, Halbleiterbauelemente 10 auf. Insbesondere weist die Steuerelektronik bei einer B6 Brücke sechs Halbleiterbauelemente 10 auf.
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Weiterhin weist die Steuerelektronik 1 eine Leiterplatte 20 auf. Die Leiterplatte 20 ist ein Träger für elektronische Bauteile, wie beispielsweise das Halbleiterbauelement 10. Die Leiterplatte 20 dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung der elektronischen Bauteile, wie beispielsweise des Halbleiterbauelements 10. Die Leiterplatte 20 weist ein elektrisch isolierende Material und Leiterbahnen auf, die an oder in dem elektrisch isolierenden Material verlaufen. Die Leiterbahnen dienen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Halbleiterbauelementen 10 untereinander oder der Herstellung einer elektrischen Verbindung mit weiteren elektrischen Bauelementen.
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Ferner weist eine erfindungsgemäße Steuerelektronik 1 einen Kühlkörper 30 auf. Der Kühlkörper 30 dient zur Abführung von Wärme, die im Betrieb der Steuerelektronik 1, insbesondere in Halbleiterbauelement 10, entsteht. Der Kühlkörper 30 vergrößert die Wärme abgebende Oberfläche. Vorzugsweise ist der Kühlkörper 30 aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet und weist Rippen, Lamellen oder angeordnete Kühlelemente auf.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch einen Teil der Steuerelektronik 1. Der Schnitt verläuft durch die Leiterplatte 20, das Halbleiterbauelement 10 sowie den Kühlkörper 30. Das Halbleiterbauelement 10 weist einen Leadframe 12, einen Halbleiterchip 14 und mindestens ein Leitelement 16 auf. Ferner weist das Halbleiterbauelement 10 eine Moldmasse 18, die den Leadframe 12, den Halbleiterchip 14, und/oder das Leitelement 16 zumindest teilweise ummantelt auf. Die Moldmasse 18 bildet das Gehäuse des Halbleiterbauelements 10. Sie dient insbesondere zur elektrischen Isolierung des Halbleiterchips 14 gegenüber seiner Umgebung. Ferner schützt die Moldmasse 18 den Halbleiterchip 14 gegenüber mechanischen Einflüssen aus seiner Umgebung. Die Moldmasse 18 besteht aus einem Kunststoff der nach seiner Austrocknung hart ist. Insbesondere wird für die Moldmasse 18 ein Epoxidharz verwendet. Die Moldmasse 18 kann in einer vorteilhaften Ausführung eine gute Wärmeleitfähigkeit von insbesondere 10-12 W/Meter und Kelvin haben.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht des Halbleiterbauelements 10 aus 2 ohne die Moldmasse 18 dargestellt. Der Leadframe 12 ist als Blechelement ausgebildet. Der Leadframe 12 enthält Kupfer oder besteht vollständig aus Kupfer. Seine Dicke beträgt ca. 150-250 µm. An dem Leadframe 12 angeordnet, ist der Halbleiterchip 14. Der Halbleiterchip 14 umfasst, bzw. bildet insbesondere einen Leistungsschalter zum Schalten von elektrischen Strömen. Für die Ansteuerung, insbesondere elektrisch kommentierter, Motoren werden entsprechende Leistungsschalter benötigt. Der Leistungsschalter ist insbesondere als Transistor, vorzugsweise als MOSFET oder als IGBT ausgebildet. Der Leadframe 12 stellt gleichzeitig eine Elektrode des Halbleiterbauelements 10 dar.
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An dem Halbleiterchip 14 ist mindestens ein Leitelement 16 gemäß 3 angeordnet. Gemäß 3 sind beispielsweise ein erstes Leitelement 16a sowie ein zweites Leitelement 16b an dem Halbleiterchip angeordnet. Zumindest eines der Leitelemente 16a, 16b ist als Blechelement ausgebildet welches sich jeweils über einen Teil der Oberfläche des Halbleiterchips 14 erstreckt. An den Leitelementen 16 sind Pins 17 ausgebildet. Die Pins 17 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Leitelemente 16 mit der Leiterplatte 20. Die Leitelemente 16 sind vorzugsweise aus einem Kupferblech ausgebildet oder weisen Kupfer auf. Die Leitelemente sind zwischen 100 - 250 µm dick.
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Ist beispielsweise der Halbleiterchip 14 als Leistungsschalter, insbesondere als MOSFET ausgebildet, so weist er einen Gate-, einen Source- und einen Drain-Anschluss auf. Der Gate-Anschluss des Halbleiterchips 14 ist mit dem Leitelement 16a elektrisch verbunden. Der Source-Anschluss des Halbleiterchips 14 ist mit dem zweiten Leitelement 16b elektrisch verbunden. Der Drain-Anschluss des Halbleiterchips 14 ist mit dem Leadframe 12 elektrisch verbunden.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 14 und dem Leadframe 12 bzw. den Leitelemente 16 wird mittels einer Löt- oder Sinterverbindung hergestellt. Gemäß 2 sind die in 3 gezeigten Elemente des Halbleiterbauelements 10 größtenteils von der Moldmasse 18 ummantelt. Lediglich die Pins 17 sowie Teile des Leadframes 12 sind nicht von der Moldmasse 18 umgeben. Insbesondere sind die Teile des Leadframes 12, welche der Leiterplatte 20 zugerichtet sind nicht mit der Moldmasse 18 bedeckt.
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Das Halbleiterbauelement 10 ist vorzugsweise in Schichten gemäß 2 aufgebaut. Die erste Schicht bildet ausgehend von der Leiterplatte der Leadframe 12, der an der Leiterplatte 20 angeordnet ist. An den Leadframe 12 schließt sich der Halbleiterchip 14 an. An den Halbleiterchip 40 schließen sich Teile des oder der Leitelemente 16 an. Im Anschluss daran kommt ein Teil, der durch die Moldmasse 18 gebildet ist. Die Moldmasse 18 bildet das Gehäuse des Halbleiterbauelements 10. Die Moldmasse 18 weist auf der dem Leadframe 12 gegenüberliegenden Ende des Halbleiterbauelements 10 eine Dicke d von 50-200 µm insbesondere von 80-120 µm auf.
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Die Verwendung von Blechen bei den Leitelementen 16 ermöglicht die Ausbildung eines Halbleiterbauelements 10 mit einer geringeren Dicken als Halbleiterbauelement mit Bond-Elementen. Die Bond-Elemente dienen der elektrischen Kontaktierung der Source-, Gate- und/oder Drain-Anschlüsse.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist zwischen dem Halbleiterbauelement 10 und dem Kühlkörper 20 eine Wärmeleitmasse 40 ausgebildet. Die Wärmeleitmasse 40 ist ein Terminal Interface Material welches eine TIM- Schicht bildet. Die Wärmeleitmasse 40 stellt eine thermische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauelement 10 und dem Kühlkörper 30 her. Das Halbleiterbauelement 10 ist so ausgebildet, dass die in dem Halbleiterchip 14 entstehende Wärmeenergie an das oder die Leitelemente 16 weiter geleitet wird. Die Wärmeenergie wird anschließend über die Moldmasse 18, und insbesondere die Wärmeleitpaste 40, an den Kühlkörper 30 weiterleitet. Ein entsprechender erster Pfad zum Transport der Wärmeenergie ist mit dem Bezugszeichen 50 in 2 dargestellt. Vorzugsweise bedecken die Leitelemente 16 eine möglichst große Oberfläche des Halbleiterchips 14. Insbesondere bedeckt die Leitelemente 16a und 16b zusammen mit dem Leadframe 12 mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 90% der Oberfläche des Halbleiterchips 14. Die Leitelemente 16 und/oder der Leadframe 12 nehmen durch die großflächige Ausdehnung die Wärmeenergie bestmöglich von dem Halbleiterchip 14 auf. Ferner vergrößern die Leitelemente 16 und/oder der Leadframe 12 die Oberfläche des Halbleiterchips 14. Die Leitelemente 16 und/oder der Leadframe 12 bewirken eine Wärmeenergieableitung über beispielsweise die Moldmasse 18.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform entsprechend 4 ist das Halbleiterbauelement 10 von der Wärmeleitmasse 40 in den Bereichen, in denen es nicht an der Leiterplatte 20 anliegt von einer Wärmeleitmasse 40 umgeben. Hierdurch ist ein weiterer Pfad 52 zum Transport der Wärmeenergie weg von dem Halbleiterchip 14 hin zu dem Kühlkörper 30 gegeben. Die in dem Halbleiterchip 14 entstehende Wärme wird hierbei an den Leadframe 12 übertragen. Der Leadframe 12 leitet die Wärme, insbesondere die Wärmeenergie über die Wärmeleitmasse 40 an dem Kühlkörper weiter.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform leitet der Leadframe 12 die Wärme an die Leiterplatte 20 weiter, die sie wiederum über die Wärmeleitmasse 40 an den Kühlkörper 30 weiterleitet.
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Ferner weist die Leiterplatte 10 Lötpads 22 auf, die an der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet sind. Die Lötpads 22 dienen der elektrischen und mechanischen Verbindung der Halbleiterbauelemente 10 mit der Leiterplatte 20.
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Die Leiterplatte 20 weist Leiterbahnen zur Führung des elektrischen Stroms auf. Weiterhin weist die Leiterplatte Lödpads 22 auf. Lötpads 22 bilden Verbindungspunkte, die eine elektrische und mechanische Verbindung der elektrischen Bauelemente, insbesondere der Halbleiterbauelemente 10 mit der Leiterplatte 20 ermöglichen. Vorzugsweise sind Abmessungen der Lötpads 22 entsprechend dem Footprint, also der Abmessung des Leadframes 12 und der Pins 17 ausgebildet. Ebenfalls die Lödpads entsprechend der Anordnung des Leadframes und der Pins angeordnet. Die Leiterbahnen und die Lödpads 22 35-70 µm dick. Gemäß 2 sind sie beispielhaft in die Oberfläche der Leiterplatte eingelassen. Sie können jedoch auch gemäß 4 an der Oberfläche der Leiterplatte 20 angeordnet sein.
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Das Halbleiterbauelement 10 ist vorzugsweise als oberflächenmontierte Bauelement ausgebildet. Die Halbleiterbauelemente 10 werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte 20 gelötet. Die Anschlussflächen des Halbleiterbauelements 10 bilden die Pins 17 und der Leadframe 12.
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In den 5 und 6 sind eher beispielhaft verschiedene Ausgestaltungen der Lötpads 22 dargestellt. Die Lötpads 22a bis 22d sind so ausgebildet, dass eine Lötverbindung mit den Pins 17 der Leitelemente 16 möglich ist. Die Abmessungen der Lötpads 22a bis 22d entsprechen hierbei im Wesentlichen den Abmessungen der Anschlussflächen der Pins 17. Vorzugsweise können die Lötpads 22a bis 22d der Pins 17 auch größer, insbesondere 2 bis 10 mal so groß, als die Pins 17 ausgebildet sein. Es ergibt sich ein weitere Pfad zur Abfuhr der Wärmeenergie über die Pins 17 und die Lötpads 22a bis 22d.
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Die Lötpads 22e sind in den 5 und 6 unterschiedlich groß ausgeführt. Das Lötpad 22e in der 6 entspricht in seinen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen des Leadframes 12 des Halbleiterbauelements 10. Das Lötpad 22e steht nicht über das Halbleiterbauelement 10 hinaus.
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Wohingegen das Lötpad 22e in 5 deutlich größere Abmessungen als der Leadframe 12 des Halbleiterbauelements 10 zeigt. Eine Ausgestaltung gemäß 6 bewirkt, dass die im Halbleiterchip 14 entstehende Wärme über eine gegenüber der Ausgestaltung in 5 vergrößerte Fläche an die Wärmeleitmasse 40 und damit an den Kühlkörper 30 abgegeben werden kann. Es erfolgt eine Spreizung der Wärme Energie über eine größere Fläche. Durch eine entsprechende Ausbildung wird der thermische Widerstand um bis zu 20% gegenüber einer Ausbildung gemäß 5 reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Moldmasse 18 derart ausgebildet, dass die in dem Halbleiterchip 14 entstehende Wärme überwiegend, insbesondere vollständig, über das Leitelement 16 und die Moldmasse 40 an den Kühlkörper 30 geleitet wird.
