DE102017215048A1 - Schaltungsträger für Leistungselektronik und Leistungselektronikmodul mit einem Schaltungsträger - Google Patents

Schaltungsträger für Leistungselektronik und Leistungselektronikmodul mit einem Schaltungsträger Download PDF

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Abstract

Offenbart wird ein Schaltungsträger (ST), insb. ein Keramiksubstrat, für Leistungselektronik, umfassend:
- eine Bestückungsoberfläche (BF) zum Bestücken von Leistungselektronikbauelementen (LE);
- eine von der Bestückungsoberfläche (BF) abgewandt liegende Wärmeübertragungsoberfläche (WF) zur thermischen Kontaktierung des Schaltungsträgers (ST) mit einer Wärmesenke, insb. einem Kühler (KL);
- mindestens eine Seitenfläche (SF) zwischen der Bestückungsoberfläche (BF) und der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) ;
- wobei die Längste der mindestens einen Seitenfläche (SF) zu der Bestückungsoberfläche (BF) und der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) schräg ausgeführt ist; und
- der Schaltungsträger eine von einer ersten Kante (KT1) zwischen der Bestückungsoberfläche (BF) und der längsten Seitenfläche (SF) zu einer zweiten Kante (KT2) zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) und der längsten Seitenfläche (SF) hin sich verjüngende Dicke aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger, insb. ein Keramiksubstrat, für Leistungselektronik sowie ein Leistungselektronikmodul mit einem genannten Schaltungsträger bzw. einem genannten Keramiksubstrat.
  • Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
  • Leistungselektronikmodule bzw. Leistungselektronikmodule weisen in der Regel eine Aufbautechnik auf, bei der Leistungselektronikbauelemente, wie zum Beispiel Leistungshalbleiterschalter, auf einem Schaltungsträger bzw. einem Keramiksubstrat angeordnet und mit auf dem Schaltungsträger im Vorfeld ausgebildeten Leiterbahnen elektrisch und thermisch verbunden sind. Dabei sind die Leistungshalbleiterbauelemente meistens auf einer Oberfläche, also einer Bestückungsoberfläche, des Schaltungsträgers angeordnet. Eine weitere, von der Bestückungsoberfläche abgewandte Oberfläche des Schaltungsträgers dient zur thermischen Kontaktierung des Schaltungsträgers zu einer Wärmesenke bzw. einem Kühler. Diese weitere Oberfläche wird somit nachfolgend Wärmeübertragungsoberfläche genannt. Die thermische Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und der Wärmesenke wird in der Regel mittels einer Lötschicht und/oder einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Isolierschicht als Verbindungsschicht hergestellt.
  • Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Schaltungsträgers (bzw. des Keramiksubstrats) und der Wärmesenke (bzw. des Kühlers) kommt es oft zu hohen Schubspannungen in der Verbindungsschicht (bspw. Lötschicht) durch verschiedene Wärmeausdehnungen des Schaltungsträgers und der Wärmesenke. Dies führt wiederum bei thermischen Wechselbelastungen bei den Leistungselektronikmodulen zur Ermüdung in der Verbindungsschicht, was wiederum zu Ausfällen der Leistungselektronikmodule führen kann.
  • Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungselektronikmodul gegenüber den thermischen Wechselbelastungen stabiler zu machen.
  • Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schaltungsträger, also ein Träger und zugleich ein elektrischer Isolator, insb. ein Keramiksubstrat, für Leistungselektronik bereitgestellt.
  • Der Schaltungsträger weist auf einer ersten Seite eine in der Regel flächig ausgedehnte Bestückungsoberfläche, welche zum Bestücken von Leistungselektronikbauelementen bzw. zum Ausbilden einer elektrischen Schaltung dient.
  • Der Schaltungsträger umfasst auf einer zweiten, der ersten Seite abgewandten Seite eine Wärmeübertragungsoberfläche, welche zur thermischen (bzw. auch körperlichen) Kontaktierung des Schaltungsträgers mit einer Wärmesenke, insb. einem Kühler, dient.
  • Der Schaltungsträger umfasst zudem mindestens eine Seitenfläche zwischen der ersten und der zweiten Seite bzw. zwischen der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche.
  • Dabei ist zumindest die Längste der mindestens einen Seitenfläche (bzw. die Seitenfläche mit der längsten Kante zur Wärmeübertragungsoberfläche) zu der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche schräg ausgeführt. Die Seitenfläche verläuft somit von der Kante zur Bestückungsoberfläche zur betreffenden Kante zur Wärmeübertragungsoberfläche in einer Richtung, welche von der Senkrechten der Bestückungsoberfläche und/oder der Wärmeübertragungsoberfläche abweicht. Das heißt, die längste Seitenfläche liegt schräg zu der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche.
  • Der Schaltungsträger weist ferner eine Dicke (bzw. Stärke) auf, welche sich von einer ersten Kante zwischen der Bestückungsoberfläche und der längsten Seitenfläche zu einer zweiten Kante zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und der längsten Seitenfläche hin verjüngt. Dabei ist die zweite Kante die zuvor genannte längste Kante zur Wärmeübertragungsoberfläche der Längste der mindestens drei Seitenflächen.
  • Weisen der Schaltungsträger bzw. die Bestückungsoberfläche und/oder die Wärmeübertragungsoberfläche in dessen/deren Draufsicht eine kreisrunde, ellipsenförmige oder dergleichen Form mit einer die Bestückungsoberfläche bzw. die Wärmeübertragungsoberfläche umlaufende Kante ohne Ecken auf, so weist der Schaltungsträger eine einzige Seitenfläche auf, welche ähnlich einem Wandabschnitt eines runden oder teilrunden (also bspw. Trichter mit einer eckigen Einlassöffnung und einer runden Auslassöffnung, oder Trichter mit einer eckigen Einlassöffnung und einer runden Auslassöffnung) Trichters geformt ist, welcher zwischen zwei zueinander parallel und senkrecht zur Mittelachse des Trichters verlaufenden Ebenen geschnitten ist. Damit liegt diese einzige Seitenfläche schräg zu der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche.
  • Weisen der Schaltungsträger bzw. die Bestückungsoberfläche und die Wärmeübertragungsoberfläche in dessen/deren Draufsicht eine drei- oder mehreckige Form mit drei oder mehr Kanten auf, so weist der Schaltungsträger drei oder mehr Seitenflächen auf, wobei die Längste aller Seitenflächen schräg zu der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche liegt.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die in der Verbindungsschicht (in der Regel eine Lötschicht) zwischen dem Schaltungsträger (bzw. dem Keramiksubstrat) und der Wärmesenke (bzw. dem Kühler) auftretenden Ermüdungsbrüche durch Reduzieren von Schubspannungen zwischen dem Schaltungsträger und der Wärmesenke wirksam reduziert werden können.
  • Dabei wurde erkannt, dass die Ermüdungsbrüche am stärksten an Randbereichen der Verbindungsschicht entstehen und sich dann in Richtung zu dem Mittelbereich der Verbindungsschicht fortpflanzen.
  • Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde im Rahmen der Erfindung zum Ziel gesetzt, die mechanischen Spannungen in den Randbereichen der Verbindungsschicht zu reduzieren und somit die Ermüdungsbrüche in der Verbindungsschicht zu minimieren. Da die Randbereiche der Verbindungsschicht in der Regel an den Randbereichen des Schaltungsträgers angrenzen, wird im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Randbereiche des Schaltungsträgers derart auszubilden, dass die mechanischen Spannungen in den Randbereichen der Verbindungsschicht kompensiert bzw. reduziert werden können.
  • Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird der oben genannte Schaltungsträger (bzw. das Keramiksubstrat) für Leistungselektronik bereitgestellt.
  • Mit der schräg ausgeführten Seitenfläche zwischen der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche ist zwischen der ersten Kante (zwischen der Bestückungsoberfläche und der Seitenfläche) und der zweiten Kante (zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und der Seitenfläche) und somit am Rand des Schaltungsträgers ein Bereich geschaffen, der eine sich von der ersten Kante zur zweiten Kante hin verjüngende Dicke bzw. Schichtstärke und somit in dessen Querschnitt eine Form eines Keils aufweist.
  • Durch die keilförmige Ausführung des Bereiches am Rand des Schaltungsträgers kann dieser die Schubspannungen in der Verbindungsschicht zwischen dem Schaltungsträger und der Wärmesenke zum Teil aufnehmen bzw. kompensieren. Dadurch wird die Verbindungsschicht auch bei thermischen Wechselbelastungen bei den Leistungselektronikmodulen weniger belastet, was wiederum die Ermüdung in der Verbindungsschicht reduziert.
  • Dadurch ist die Möglichkeit bereitgestellt, das Leistungselektronikmodul gegenüber den thermischen Wechselbelastungen stabiler zu machen.
  • Bspw. ist die längste Seitenfläche konkav ausgebildet. Insb. sind alle Seitenflächen konkav ausgeführt. Das heißt, die längste Seitenfläche bzw. alle Seitenflächen sind nach innen in Richtung zur Wärmeübertragungsoberfläche gewölbt.
  • Bspw. verjüngt sich die Dicke des Schaltungsträgers von der ersten Kante zu der zweiten Kante hin stufenförmig.
  • Bspw. umfasst der Schaltungsträger mindestens drei Seitenflächen. Dabei sind alle Seitenflächen zu der Bestückungsoberfläche und der Wärmeübertragungsoberfläche schräg ausgeführt. Der Schaltungsträger weist somit eine Dicke auf, welche von allen Kanten zwischen der Bestückungsoberfläche und den jeweiligen Seitenflächen zu jeweiligen korrespondierenden Kanten zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und den entsprechenden korrespondierenden Seitenflächen hin sich verjüngt.
  • Bspw. weist die zweite Kante eine nicht gerade (bzw. nicht linienförmige) Kontur zur Verlängerung der Kantenlänge auf. Insb. weisen alle Kanten zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und den jeweiligen Seitenflächen eine nicht gerade Kontur zur Verlängerung der jeweiligen Kantenlängen auf.
  • Bspw. ist die zweite Kante zickzack-förmig oder Sägezahn-förmig geformt. Insb. sind alle Kanten zickzack-förmig oder Sägezahn-förmig geformt.
  • Alternativ ist die zweite Kante bspw. rechteckig ähnlich einem Verlauf eines rechteckigen Signals geformt. Insb. sind alle Kanten rechteckig ähnlich einem Verlauf eines rechteckigen Signals geformt.
  • Die Ecken der zickzack-förmigen, Sägezahn-förmigen oder rechteckigen Kantenabschnitte können abgerundet sein.
  • Alternativ verläuft die zweite Kante bspw. wellenförmig, mäanderförmig oder sinusförmig. Insb. verlaufen alle Kanten wellenförmig, mäanderförmig oder sinusförmig.
  • Zwischen der ersten und der zweiten Kante weist der Schaltungsträger bspw. einen Bereich zum Kompensieren von Schubspannungen auf, der mindestens eine Aussparung, insb. eine Vielzahl von Aussparungen, aufweist.
  • Bspw. ist die mindestens eine Aussparung als ein Durchlassloch ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt.
  • Das Leistungselektronikmodul umfasst einen zuvor beschriebenen Schaltungsträger, dessen Bestückungsoberfläche mit Leistungselektronikbauelementen bestückt ist.
  • Das Leistungselektronikmodul umfasst ferner eine Wärmesenke, insb. einen Kühler, die/der eine thermisch leitende Kontaktfläche aufweist. Dabei ist der Schaltungsträger über die Wärmeübertragungsoberfläche auf der Kontaktfläche der Wärmesenke bzw. des Kühlers angeordnet und mit der Wärmesenke bzw. dem Kühler körperlich und thermisch leitend verbunden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschrieben Schaltungsträgers sind, soweit möglich, auf das oben genannte Leistungselektronikmodul übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Leistungselektronikmoduls anzusehen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung ein Leistungselektronikmodul mit einem Schaltungsträger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 in einer schrägen Draufsichtdarstellung den Schaltungsträger aus 1;
    • 3 in einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Abschnitt eines Schaltungsträgers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
    • 4 in einer weiteren schematischen Draufsicht einen Abschnitt eines Schaltungsträgers gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung ein Leistungselektronikmodul LM mit einem Schaltungsträger ST gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Leistungselektronikmodul LM umfasst neben dem Schaltungsträger ST noch einen Kühler KL.
  • Der Schaltungsträger ST weist eine Bestückungsoberfläche BF auf, auf der eine Kupferschicht KS1 aufgetragen ist, welche zu Leiterbahnen strukturiert sind. Auf einer von dem Schaltungsträger ST abgewandten Oberfläche der jeweiligen Leiterbahnen der ersten Kupferschicht KS1 sind Leistungselektronikbauelemente LE angeordnet und entsprechend dem Schaltungslayout miteinander und mit den Leiterbahnen bzw. der ersten Kupferschicht KS1 via Lötschicht LS oder Bonddrähte BD elektrisch verbunden.
  • Auf einer von der Bestückungsoberfläche BF abgewandten Seite weist der Schaltungsträger ST eine Wärmeübertragungsoberfläche WF auf, auf der eine weitere ausgedehnt flächige Kupferschicht KS2 aufgetragen ist.
  • Über diese weitere Kupferschicht KS2 ist der Schaltungsträger ST mit dem Kühler KL thermisch leitend verbunden. Dabei ist der Schaltungsträger ST bzw. die weitere Kupferschicht KS2 des Schaltungsträgers ST mittels einer weiteren Lötschicht LS mit dem Kühler KL bzw. mit einer Kontaktfläche KF des Kühlers KL flächig körperlich und thermisch leitend verbunden.
  • Der Schaltungsträger ST weist ferner Seitenflächen SF auf, welche zwischen der Bestückungsoberfläche BF und der Wärmeübertragungsoberfläche WF den Schaltungsträger ST umlaufend ausgebildet sind.
  • Dabei sind die Seitenflächen SF zu der Bestückungsoberfläche BF und der Wärmeübertragungsoberfläche WF schräg und in Richtung zur Mitte des Schaltungsträgers ST bzw. zur Wärmeübertragungsoberfläche WF hin konkav (mit einem vorgegebenen Krümmungsradius) ausgebildet.
  • Dadurch weist der Schaltungsträger ST eine Dicke bzw. eine Schichtstärke auf, welche sich von jeweiligen ersten Kanten KT1 zwischen der Bestückungsoberfläche BF und den jeweiligen korrespondierenden Seitenflächen SF zu jeweiligen korrespondierenden zweiten Kanten KT2 zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche WF und den jeweiligen korrespondierenden Seitenflächen SF hin verjüngt.
  • Durch die schräge Ausführung der Seitenflächen SF weist der Schaltungsträger ST zwischen den jeweiligen ersten Kanten KT1 und den jeweiligen korrespondierenden zweiten Kanten KT2 Bereiche SB, welche durch die schräge Ausführung der Seitenflächen SF keilförmig geformt sind. diese Bereiche SB dienen zur Kompensation und somit zur Reduzierung von Schubspannungen zwischen dem Schaltungsträger ST und dem Kühler KL und werden nachfolgend als Schubspannungskompensationsbereiche genannt.
  • 2 zeigt in einer schrägen Vogelperspektivdarstellung den Schaltungsträger ST aus 1.
  • Der Schaltungsträger ST weist in den Schubspannungskompensationsbereichen SB jeweils eine Anzahl von Durchgangslöchern DL auf, welche in den jeweiligen Schubspannungskompensationsbereichen SB voneinander sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung der jeweiligen Schubspannungskompensationsbereiche SB räumlich versetzt angeordnet sind. Diese Durchgangslöcher DL reduzieren die durch thermischen Wechselbelastungen entstandenen Schubspannungen zusätzlich.
  • 3 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Abschnitt eines Schaltungsträgers ST gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Schaltungsträger ST in 3 unterscheidet sich von dem Schaltungsträger in 2 dadurch, dass die zweiten Kanten KT2 zwischen den jeweiligen Seitenflächen SF und der Wärmeübertragungsoberfläche WF einen wellenförmigen Verlauf zur Verlängerung der Kantenlänge aufweisen.
  • 4 zeigt in einer weiteren Draufsicht einen Abschnitt eines Schaltungsträgers gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Schaltungsträger ST in 4 unterscheidet sich von dem Schaltungsträger in 3 dadurch, dass dessen zweite Kanten KT2 zwischen den jeweiligen Seitenflächen SF und der Wärmeübertragungsoberfläche WF anstelle eines wellenförmigen Verlaufs einen zickzack-förmigen bzw. rechteckigen Verlauf aufweisen.
  • Die wellen- oder zickzack-förmig bzw. rechteckig geformte zweite Kante KT2 reduziert wie die zuvor beschriebenen Durchgangslöcher DL die durch thermischen Wechselbelastungen entstandenen Schubspannungen zusätzlich.

Claims (10)

  1. Schaltungsträger (ST), insb. Keramiksubstrat, für Leistungselektronik, umfassend: - eine Bestückungsoberfläche (BF) zum Bestücken von Leistungselektronikbauelementen (LE); - eine von der Bestückungsoberfläche (BF) abgewandt liegende Wärmeübertragungsoberfläche (WF) zur thermischen Kontaktierung des Schaltungsträgers (ST) mit einer Wärmesenke, insb. einem Kühler (KL); - mindestens eine Seitenfläche (SF) zwischen der Bestückungsoberfläche (BF) und der Wärmeübertragungsoberfläche (WF); - wobei die Längste der mindestens einen Seitenfläche (SF) zu der Bestückungsoberfläche (BF) und der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) schräg ausgeführt ist; und - der Schaltungsträger (ST) eine von einer ersten Kante (KT1) zwischen der Bestückungsoberfläche (BF) und der längsten Seitenfläche (SF) zu einer zweiten Kante (KT2) zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) und der längsten Seitenfläche (SF) hin sich verjüngende Dicke aufweist.
  2. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 1, wobei die längste Seitenfläche (SF) konkav ausgeführt ist.
  3. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke von der ersten Kante (KT1) zu der zweiten Kante (KT2) hin sich stufenförmig verjüngt.
  4. Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schaltungsträger (ST) mindestens drei Seitenflächen (SF) umfasst, wobei alle der mindestens drei Seitenflächen (SF) zu der Bestückungsoberfläche (BF) und der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) schräg ausgeführt sind, und die Dicke des Schaltungsträgers sich von allen Kanten (KT1) zwischen der Bestückungsoberfläche (BF) und den jeweiligen Seitenflächen (SF) zu jeweiligen korrespondierenden Kanten (KT2) zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche (WF) und den entsprechenden korrespondierenden Seitenflächen (SF) hin verjüngt.
  5. Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Kante (KT2) eine nicht gerade Kontur aufweist.
  6. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 5, wobei die zweite Kante (KT2) zickzackförmig, sägezahnförmig oder rechteckförmig verläuft.
  7. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 5, wobei die zweite Kante (KT2) wellenförmig, mäanderförmig oder sinusförmig verläuft.
  8. Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schubspannungskompensationsbereich (SB) zwischen der ersten (KT1) und der zweiten (KT2) Kante, der mindestens eine Aussparung (DL) aufweist.
  9. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Aussparung (DL) als ein Durchgangsloch ausgebildet ist.
  10. Leistungselektronikmodul (LM), umfassend: - einen Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dessen Bestückungsoberfläche (BF) mit Leistungselektronikbauelementen (LE) bestückt ist; - eine Wärmesenke, insb. einen Kühler (KL), mit einer thermisch leitenden Kontaktfläche (KF); - wobei der Schaltungsträger (ST) über die Wärmeübertragungsoberfläche (WF) auf der Kontaktfläche (KF) angeordnet ist und mit der Wärmesenke (KL) körperlich und thermisch leitend verbunden ist.
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