DE102019204871A1 - Elektronische Schaltungseinheit - Google Patents

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Abstract

Für eine elektrische Baugruppe (1) für eine Leistungselektronikeinheit zum Führen hoher Ströme, umfassend einen Kühlkörper (10) mit einer Oberseite (11) und ein erstes IMS-Substrat (20) mit einer ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) und einer von der ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) abgewandten zweiten Seite (22) des ersten IMS-Substrats (20) und wenigstens ein zweites IMS-Substrat (30) mit einer ersten Seite (31) des zweiten IMS-Substrats (30) und einer zweiten Seite (32) des zweiten IMS-Substrats (30), wird vorgeschlagen, dass das erste IMS-Substrat (20) und das zweite IMS-Substrat (30) auf dem Kühlkörper (10) gestapelt sind, wobei das erste IMS- Substrat (20) zwischen dem Kühlkörper (10) und dem zweiten IMS-Substrat (30) angeordnet ist und die erste Seite (21) des ersten IMS-Substrates (20) der Oberseite (11) des Kühlkörpers (10) zugewandt ist und die erste Seite (31) des zweiten IMS-Substrates (30) der zweiten Seite (22) des ersten IMS-Substrates (22) zugewandt ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe für eine Leistungselektronik und eine Verwendung dieser elektrischen Baugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
  • In der Leistungselektronik, beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, werden elektrische und/oder elektronische Bauteile, die hohe elektrische Ströme führen, miteinander verbunden. Aufgrund der hohen elektrischen Ströme müssen stromführende Elemente, durch die die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile miteinander verbunden sind, entsprechend geringe elektrische Widerstände aufweisen und somit große Querschnitte haben. Durch wiederholtes Auftreten von Schaltvorgängen treten frequenzabhängige hohe Verlustleistungen durch wechselnde Ströme auf. Es ist bekannt, dass sich durch flächige und parallele Stromführung und durch die bei entgegengesetzter Stromrichtung bewirkte magnetische Wechselwirkung zwischen Stromlagen eine deutliche Reduzierung der aus den Schaltvorgängen resultierenden Induktivität und damit deutlich reduzierte Verlustleistungen ergeben. So wird Strom in solchen Anordnungen über Stromschienen, die auch Busbars genannt werden, geführt. Dabei werden beispielsweise jeweils zwei Stromschienen mit entgegengesetzter Stromrichtung, ein Hinleiter und ein Rückleiter, direkt übereinander und in geringem Abstand parallel zueinander geführt.
  • Für elektrische Verbindungen von Komponenten werden im allgemeinen Stromschienen, sogenannte Busbars, aus leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium verwendet. Hierbei ist es notwendig die Stromschienen elektrisch gegen Kurzschluss zu sichern und elektromechanisch mit anderen Teilen zu verbinden. In Steuergeräten für Hochstromanwendungen, wie bei der Elektromobilität, erhöhen sich die Anforderungen ständig. So sind heutzutage Stromanforderungen bis 1000 Ampere und 1200 Volt schon an der Tagesordnung. Die Stromschienen, sind dabei sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen zuverlässig über die gesamte Lebensdauer funktionieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine elektrische Baugruppe für eine Leistungselektronikeinheit zum Führen hoher Ströme und eine Verwendung dieser elektrischen Baugruppe vorgeschlagen. Die elektrische Baugruppe umfasst einen Kühlkörper mit einer Oberseite und ein erstes IMS-Substrat mit einer ersten Seite des ersten IMS-Substrats und einer von der ersten Seite des ersten IMS-Substrats abgewandten zweiten Seite des ersten IMS-Substrats und wenigstens ein zweites IMS-Substrat mit einer ersten Seite des zweiten IMS-Substrats und einer zweiten Seite des zweiten IMS-Substrats. Erfindungsgemäß sind das erste IMS-Substrat und das zweite IMS-Substrat auf dem Kühlkörper gestapelt, wobei das erste IMS- Substrat zwischen dem Kühlkörper und dem zweiten IMS-Substrat angeordnet ist und die erste Seite des ersten IMS-Substrates der Oberseite des Kühlkörpers zugewandt ist und die erste Seite des zweiten IMS-Substrates der zweiten Seite des ersten IMS-Substrates zugewandt ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Gegenüber dem Stand der Technik weist die elektrische Baugruppe den Vorteil auf, dass durch die IMS-Substrate in der elektrischen Baugruppe ein Stromleiter mit hoher Leitfähigkeit und guter Ableitung von Wärme an den Kühlkörper bei geringen Bauraum für den Hochstrombereich bereitgestellt wird. Dabei werden die Metallbasisplatten der IMS-Substrate als stromführende Teile beispielsweise als Busbars genutzt. Die Leiterschichten der IMS-Substrate dienen dem Verbinden der IMS-Substrate mit darunterliegenden IMS-Substraten und/oder dem Kühlkörper. Die Isolationsschichten der IMS-Substrate trennen die jeweilige Metallbasisplatte von der jeweils zugehörigen Leiterschicht des IMS-Substrats. So können in einem Stapel aus IMS-Substrate in unterschiedlichen Ebenen hohe Ströme durch die Metallbasisplatten der IMS-Substrate geleitet werden, wobei die Metallbasisplatten durch die Isolationsschichten der IMS-Substrate voneinander elektrisch isoliert sind. So ist es möglich die stromführenden Teile in ihren Kosten und ihren Dimensionen möglichst gering zu halten. Gleichzeitig kann Wärme aus den Metallbasisplatten der IMS-Substrate, die als stromführende Teile dienen, über den Stapel an IMS-Substraten vorteilhaft gut an den Kühlkörper abgeleitet werden und somit die stromführenden Teile vorteilhaft gut gekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist die elektrische Baugruppe, weil in der elektrischen Baugruppe IMS-Substrate als bereits vorhandene und etablierte Bauteile in einer neuen Weise genutzt werden indem die Metallbasisplatten der IMS-Substrate, die im Stand der Technik zur Kühlung verwendet werden, nun als stromführende Teile genutzt werden und die eigentlichen Leiterschichten der IMS-Substrate zur Verbindung der IMS-Substrate mit anderen IMS-Substraten und/ oder des Kühlkörpers genutzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Oberseite des Kühlkörpers mit der ersten Seite des ersten IMS-Substrats durch eine erste Verbindungsschicht verbunden ist und die zweite Seite des ersten IMS-Substrats durch eine zweite Verbindungsschicht mit der ersten Seite des zweiten IMS-Substrats verbunden ist. So ist das erste IMS-Substrat vorteilhaft gut und wärmeleitend an den Kühlkörper angebunden und das zweite IMS-Substrat ist vorteilhaft gut und wärmeleitend an das erste IMS-Substrat angebunden. So kann Wärme vorteilhaft gut von dem zweiten IMS-Substrat über das erste IMS-Substrat an den Kühlkörper abgeleitet werden.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die erste Verbindungsschicht eine Lotschicht ist, mittels der die Oberseite des Kühlkörpers mit der ersten Seite des ersten IMS-Substrats verlötet ist. So wird eine vorteilhaft gute und vorteilhaft gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem ersten IMS-Substrat hergestellt.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zweite Verbindungsschicht eine Lotschicht ist, über die die zweite Seite des ersten IMS-Substrats mit der ersten Seite des zweiten IMS-Substrats verlötet ist. So wird eine vorteilhaft gute und vorteilhaft gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem ersten IMS-Substrat und dem zweiten IMS-Substrat hergestellt.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die erste Seite des ersten IMS-Substrats als erste Leiterschicht des ersten IMS-Substrats ausgebildet ist und die zweite Seite des ersten IMS-Substrats als erste Metallbasisplatte des ersten IMS-Substrats ausgebildet ist, wobei die erste Leiterschicht durch eine Isolationsschicht von der ersten Metallbasisplatte getrennt und elektrisch isoliert ist.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die erste Seite des zweiten IMS-Substrats als zweite Leiterschicht des zweiten IMS-Substrats ausgebildet ist und die zweite Seite des zweiten IMS-Substrats als zweite Metallbasisplatte des zweiten IMS-Substrats ausgebildet ist, wobei die zweite Leiterschicht durch eine zweite Isolationsschicht von der zweiten Metallbasisplatte getrennt und elektrisch isoliert ist. So sind die verschiedenen Metallbasisplatten in der einzelnen IMS-Substrate durch die Isolationsschichten voneinander und von dem Kühlkörper elektrisch leitend isoliert. Somit kann jede Metallbasisplatte eines IMS-Substrats in dem Stapel aus IMS-Substraten als einzelner Stromleiter zur Führung von hohen Strömen dienen.
  • Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Verwendung einer elektrischen Baugruppe in einer Leistungselektronikeinheit zum Führen von hohen Strömen. Dabei werden die Metallbasisplatten der IMS-Substrate als stromführende Teile der elektrischen Baugruppe genutzt.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Verwendung ist es vorgesehen, dass das erste IMS-Substrat und das wenigstens eine zweite IMS-Substrat als Busbars dienen. Unter einer Busbar wird eine Stromschiene aus elektrisch leitendem Material verstanden, die beispielsweise in rechteckförmigen Querschnitt aufweist zum Leiten hoher Ströme vorgesehen ist. Dabei dienen insbesondere die Metallbasisplatten der IMS-Substrate als Busbars. Die Metallbasisplatten der einzelnen IMS-Substrate sind dabei durch die Isolationsschichten der IMS-Substrate voneinander elektrisch leitend isoliert. Gleichzeitig wird aber Wärme von dem Busbars vorteilhaft gut an den Kühlkörper abgeleitet.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Verwendung ist es vorgesehen, dass eine erste Metallbasisplatte des ersten IMS-Substrats als erste Busbar dient und eine zweite Metallbasisplatte des zweiten IMS-Substrats als zweite Busbar dient. Die Busbars sind so übereinandergestapelt und durch die Isolationsschichten der IMS-Substrate voneinander und von dem Kühlkörper elektrisch isoliert. Gleichzeitig sind die Busbars thermisch gut an den Kühlkörper angebunden, sodass Wärme aus den Busbars vorteilhaft gut an den Kühlkörper abgeführt werden kann.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines IMS-Substrats,
    • 2. eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe mit einem ersten IMS-Substrat und einem zweiten IMS-Substrat.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist der Aufbau von IMS-Substraten 20,30 schematisch dargestellt. IMS-Substrate (isolierte Metallsubstrate) bestehen aus je einer Metallbasisplatte 28,38, die mit einer dünnen Schicht aus Dielektrikum als Isolationsschicht 29,39 und einer Leiterschicht 27,37 bedeckt ist.
  • Die Metallbasisplatte 28,38 ist dabei zur Spreizung und Ableitung von Wärme vorgesehen und besteht beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Die Isolationsschicht 29, 39 ist zwischen der Metallbasisplatte 28, 38 und der Leiterschicht 27, 37 angeordnet und trennt die Metallbasisplatte 28, 38 von der Leiterschicht 27, 37. Dabei ist Isolationsschicht 29, 39 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Material auf Epoxidbasis oder einer Keramik ausgebildet. Die Leiterschicht 27, 37 des IMS-Substrats 20, 30 ist dazu vorgesehen Strom zu leiten. Die Leiterschicht 27, 37 kann beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Die Leiterschicht 27,37 weist bespielsweise eine geringere Dicke als die Metalbasisplatte 28,38 auf.
  • IMS-Substrate 20,30 sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Dabei werden im Stand der Technik auf die Leiterschicht 27, 37, die beispielsweise in der Form von Leiterbahnen ausgebildet ist, elektrische und/oder elektronische Bauelemente aufgebracht und die Metallbasisplatte 28, 38 des IMS-Substrats 20, 30 auf einen Kühlkörper aaufgebracht um Wärme von den elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen über das IMS-Substrat 20,30 an einen Kühlkörper abzuführen.
  • Wie in 1 dargestellt bezeichnet die erste Seite 21, 31 des IMS-Substrats 20, 30 die Seite des IMS-Substrats 20, 30, an der die Leiterschicht 27, 37 angeordnet ist. Die zweite Seite 22, 32 des IMS-Substrats 20, 30 bezeichnet die Seite des IMS-Substrats 20, 30, an der die Metallbasisplatte 28, 38 angeordnet ist.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Baugruppe 1 dargestellt. Die elektrische Baugruppe 1 umfasst in dem Ausführungsbeispiel in 2 zwei IMS-Substrate 20, 30, die auf dem Kühlkörper 10 gestapelt sind. Es können aber auch eine größere Zahl von IMS-Substraten 20, 30 auf dem Kühlkörper 10 übereinandergestapelt sein und zusammen eine elektrische Baugruppe 1 bilden.
  • Der Kühlkörper 10 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer und kann beispielsweise auch mit Strukturen zur Entwärmung oder Kühlkanälen ausgebildet sein.
  • In der elektrischen Baugruppe 1 werden die IMS-Substrate 20, 30 nicht wie im Stand der Technik so an dem Kühlkörper 10 angeordnet, dass die zweiten Seiten 22, 32 der IMS-Substrate 20, 30 in Richtung des Kühlkörpers 10 gewandt sind. In der elektrischen Baugruppe 1 sind die IMS-Substrate 20, 30 umgedreht, sodass sie mit der ersten Seite 21, 31 des IMS-Substrats 20, 30 dem Kühlkörper 10 zugewandt sind.
  • So wird in der elektrischen Baugruppe 1 die erste Leiterschicht 27 des ersten IMS-Substrats 20 zur Anbindung des ersten IMS-Substrats 20 an den Kühlkörper 10 genutzt und die zweite Leiterschicht 37 des zweiten IMS-Substrats 30 zur Anbindung des zweiten IMS-Substrats 30 an das erste IMS-Substrat 20 genutzt. Dazu ist die erste Seite 21 des ersten IMS-Substrats 20 mit der ersten Leiterschicht 27 der Oberseite 11 des Kühlkörpers 10 zugewandt und durch eine erste Verbindungsschicht 15 mit dieser verbunden. Die erste Verbindungsschicht 15 kann beispielsweise eine Lotschicht sein, durch die die erste Leiterschicht 27 des ersten IMS-Substrats 20 mit der Oberseite 11 des Kühlkörpers 10 verlötet ist.
  • Weiterhin ist die erste Seite 31 des zweiten IMS-Substrats 30 mit der zweiten Leiterschicht 37 des zweiten IMS-Substrats 30 der zweiten Seite 22 des ersten IMS-Substrats 20 zugewandt. Dabei ist die erste Seite 31 des zweiten IMS-Substrats 30 durch eine zweite Verbindungsschicht 25 mit der zweiten Seite 22 des ersten IMS-Substrats 20 verbunden. Die zweite Verbindungsschicht 25 kann beispielsweise eine Lotschicht sein, durch die die zweite Leiterschicht 37 des zweiten IMS-Substrats 30 mit der ersten Metallbasisplatte 28 des ersten IMS-Substrats 20 verlötet ist.
  • In der elektrischen Baugruppe 1 können so die Metallbasisplatten 28, 38, die ursprünglich zur thermischen Spreizung der Wärme im IMS-Substraten 20,30 vorgesehen waren, zu elektrischen Leitern umfunktioniert werden und beispielsweise alsStromschienen, sogenannten Busbars, zu Leitung von hohen Strömen verwendet werden. Die Leiterschichten 27, 37 der IMS-Substrate 20, 30 dienen dabei der Verbindung der IMS-Substrate 20,30 untereinander und mit dem Kühlkörper 10. Die Isolationsschichten 29, 39 der IMS-Substrate 20, 30 isolieren die als Busbars verwendeten Metallbasisplatten 28, 38 elektrisch voneinander, sodass jede Metallbasisplatte 28, 38 eine einzelne Busbar darstellt.
  • Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.

Claims (9)

  1. Elektrische Baugruppe (1) für eine Leistungselektronikeinheit zum Führen hoher Ströme, umfassend einen Kühlkörper (10) mit einer Oberseite (11) und ein erstes IMS-Substrat (20) mit einer ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) und einer von der ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) abgewandten zweiten Seite (22) des ersten IMS-Substrats (20) und wenigstens ein zweites IMS-Substrat (30) mit einer ersten Seite (31) des zweiten IMS-Substrats (30) und einer zweiten Seite (32) des zweiten IMS-Substrats (30), dadurch gekennzeichnet, dass das erste IMS-Substrat (20) und das zweite IMS-Substrat (30) auf dem Kühlkörper (10) gestapelt sind, wobei das erste IMS- Substrat (20) zwischen dem Kühlkörper (10) und dem zweiten IMS-Substrat (30) angeordnet ist und die erste Seite (21) des ersten IMS-Substrates (20) der Oberseite (11) des Kühlkörpers (10) zugewandt ist und die erste Seite (31) des zweiten IMS-Substrates (30) der zweiten Seite (22) des ersten IMS-Substrates (22) zugewandt ist.
  2. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (11) des Kühlkörpers (10) mit der ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) durch eine erste Verbindungsschicht (15) verbunden ist und die zweite Seite (22) des ersten IMS-Substrats (20) durch eine zweite Verbindungsschicht (25) mit der ersten Seite (31) des zweiten IMS-Substrats (30) verbunden ist.
  3. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsschicht (15) eine Lotschicht ist, mittels der die Oberseite (11) des Kühlkörpers (10) mit der ersten Seite (21) des ersten IMS-Substrats verlötet ist
  4. Elektrische Baugruppe nach der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindungsschicht (25) eine Lotschicht ist, über die die zweite Seite (22) des ersten IMS-Substrats (20) mit der ersten Seite (31) des zweiten IMS-Substrats (30) verlötet ist.
  5. Elektrische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (21) des ersten IMS-Substrats (20) als erste Leiterschicht (27) des ersten IMS-Substrats (20) ausgebildet ist und die zweite Seite (22) des ersten IMS-Substrats (20) als erste Metallbasisplatte (28) des ersten IMS-Substrats (20) ausgebildet ist, wobei die erste Leiterschicht (27) durch eine erste Isolationsschicht (29) von der ersten Metallbasisplatte (28) getrennt und elektrisch isoliert ist.
  6. Elektrische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (31) des zweiten IMS-Substrats (30) als zweite Leiterschicht (37) des zweiten IMS-Substrats (30) ausgebildet ist und die zweite Seite (32) des zweiten IMS-Substrats (30) als zweite Metallbasisplatte (38) des zweiten IMS-Substrats (30) ausgebildet ist, wobei die zweite Leiterschicht (37) durch eine zweite Isolationsschicht (39) von der zweiten Metallbasisplatte (38) getrennt und elektrisch isoliert ist.
  7. Verwendung einer elektrischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Leistungselektronikeinheit zum Führen von hohen Strömen.
  8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste IMS-Substrat (20) und das wenigstens eine zweite IMS-Substrat (30) als Busbars dienen.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Metallbasisplatte (28) des ersten IMS-Substrats (20) als erste Busbar dient und eine zweite Metallbasisplatte (38) des zweiten IMS-Substrats (30) als zweite Busbar dient.
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