DE102019205772A1

DE102019205772A1 - Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE102019205772A1
Application number: DE102019205772.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-10-29

Abstract

Es wird ein Leistungsmodul (1) zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers beschrieben. Das Leistungsmodul (1) weist eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern (3), welche jeweils an einer Außenseite eine Wärmeabführfläche (15) aufweisen, eine Leiterplatte (5) und einen Kühlkörper (7) auf. Die Leiterplatte (5) ist an einer Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angeordnet und weist mehrere Durchgangsöffnungen (19) auf. Jeder der gehäusten Leistungshalbleiter (3) ist in einer der Durchgangsöffnungen (19) der Leiterplatte (5) angeordnet und mit seiner Wärmeabführfläche (15) wärmeleitfähig an der Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angebunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers.
Leistungsmodule werden dazu eingesetzt, Verbraucher wie zum Beispiel Elektromotoren mit einer für deren Betrieb notwendigen elektrischen Leistung in steuerbarer Weise zu versorgen. Solche Leistungsmodule werden teilweise auch als Powermodule, Inverter, Wandler oder Wechselrichter bezeichnet. Beispielsweise können Leistungsmodule dazu eingesetzt werden, in einem Fahrzeug elektrische Leistung von einer Batterie hin zu einem als Antrieb dienenden Elektromotor geregelt zur Verfügung zu stellen. Die steuerbare Leistungsversorgung kann dabei im Bereich von einigen Kilowatt bis hin zu mehreren 100 kW reichen.
Die Leistungsmodule verfügen hierzu in der Regel über Leistungshalbleiter-Bauelemente (nachfolgend kurz als „Leistungshalbleiter“ bezeichnet) beispielsweise in Form von IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode; englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor), SiCs (Leistungsmodule mit Siliziumkarbid-MOSFETs) oder Power-MOSFETS, welche von einem Ansteuerschaltkreis gesteuert werden.
Bei herkömmlichen Leistungsmodulen werden IGBTs oder SiC-Chips auf ein sogenanntes DCB (engl. Direct Copper Bonded), also eine Struktur, die eine enge elektrische und thermische Verbindung elektronischer Bauteile und Chips über Kupfer ermöglicht, aufgebracht, d.h. zum Beispiel auf gelötet oder aufgesintert. Das DCB kann dann beispielsweise auf eine Kupferplatte mit Kühlstruktur gesintert oder gelötet werden. Das Gesamtgebilde kann dann mediendicht ummoldet werden.
Alternativ werden bei herkömmlichen Leistungsmodulen IGBT-Bauteile über ein sogenanntes Thermal-Interface-Material wie zum Beispiel eine Folie oder eine thermisch leitfähige Paste auf einen Kühlkörper montiert. Alternativ kann ein elektrisch isoliertes Gehäuse solcher Bauteile direkt auf den Kühlkörper gelötet bzw. gesintert werden. Eine elektrische Anbindung erfolgt in diesem Fall beispielsweise durch Aufschweißen auf ein Stanzgitter bzw. indem die Bauteile über Through-hole-Technik mit einer Leiterplatte verlötet werden.
Herkömmliche Leistungsmodule weisen oft einen verhältnismäßig komplexen Aufbau auf und sind daher aufwendig zu fertigen. Außerdem werden Leistungsmodule meist für eine bestimmte Anwendung entworfen und ihre Auslegung kann im Regelfall nicht einfach an Anforderungen anderer Anwendungen angepasst bzw. skaliert werden. Einfacher zu fertigende und/oder anwendungsspezifisch anpassbare Leistungsmodule benötigen oft einen großen Bauraum und/oder verhältnismäßig teure Bauteile.
Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Leistungsmodul bereitzustellen, welches zumindest einige der zuvor genannten Defizite herkömmlicher Leistungsmodule überwindet. Insbesondere kann ein Bedarf an einem Leistungsmodul bestehen, welches einfach und mit kostengünstigen Komponenten aufgebaut ist, mit wenig Aufwand gefertigt werden kann und einen geringen Bauraum benötigt.
Eine solche Aufgabe kann durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers. Dabei weist das Leistungsmodul eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern, welche jeweils an einer Außenseite eine Wärmeabführfläche aufweisen, eine Leiterplatte und einen Kühlkörper auf. Das Leistungsmodul zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte an einer Kühloberfläche des Kühlkörpers angeordnet ist und mehrere Durchgangsöffnungen aufweist, wobei jeder der gehäusten Leistungshalbleiter in einer der Durchgangsöffnungen der Leiterplatte angeordnet ist und mit seiner Wärmeabführfläche wärmeleitfähig an der Kühloberfläche des Kühlkörpers angebunden ist.
Ausführungsformen des hierin beschriebenen Leistungsmoduls unterscheiden sich von herkömmlichen Leistungsmodulen insbesondere hinsichtlich eines Gesamtaufbaukonzepts des Leistungsmoduls unter Verwendung diskreter Komponenten.
Zur Steuerung der von dem Leistungsmodul zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung werden hierbei gehäuste Leistungshalbleiter eingesetzt, d.h. Komponenten, bei denen Leistungshalbleiter-Bauteile wie zum Beispiel IGBTs, SiCs oder Power-MOSFETs von einem Gehäuse beispielsweise aus Kunststoff umgeben sind. Solche gehäuste Leistungshalbleiter unterscheiden sich somit von gehäuselosen sogenannten Nacktchips (engl. bare dies). Gehäuste Leistungshalbleiter sind robust und können als Standardbauteile in großen Stückzahlen und somit günstig gefertigt, gelagert und letztlich verarbeitet werden.
Da bei Leistungshalbleitern stets ein Teil der durchgeleiteten elektrischen Leistung in Form von Verlusten zu einer Erwärmung der Leistungshalbleiter führt, verfügen die gehäusten Leistungshalbleiter an einer Außenseite über eine Wärmeabführfläche. Eine solche Wärmeabführfläche wird teilweise auch als „exposed pad“ bezeichnet. Die Wärmeabführfläche kann als eine in den gehäusten Leistungshalbleiter integrierte und an einer Oberfläche freiliegende Schicht oder Platte aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel einem Metall, insbesondere Kupfer, ausgebildet sein.
Um ein Verhalten der Leistungshalbleiter steuern zu können, ist ein Ansteuerschaltkreis vorgesehen. Dieser Ansteuerschaltkreis kann mithilfe von elektrischen oder elektronischen Bauelementen ausgebildet sein. Diese Bauelemente können an einer Leiterplatte gehalten und über diese elektrisch miteinander und/oder mit Anschlüssen verbunden sein. Bei der Leiterplatte kann es sich um die Leiterplatte handeln, die in dem hierin vorgeschlagenen Leistungsmodul integriert ist. Diese Leiterplatte kann unter anderem auch zur Stromführung hin zu den Leistungshalbleitern dienen, d.h. dazu ausgelegt sein, mehrere 100 A leiten zu können. Beispielsweise kann diese Leiterplatte als Dickkupferleiterplatte ausgebildet sein, wobei eine Kupferlage Dicken von 100µm oder mehr aufweisen kann. Alternativ können die Bauelemente auf eine separate Leiterplatte bestückt sein.
Um Wärme aus den Leistungshalbleitern ableiten zu können, verfügt das Leistungsmodul über einen Kühlkörper. Dieser Kühlkörper kann beispielsweise eine Metallplatte, insbesondere eine Kupferplatte sein. Gegebenenfalls kann der Kühlkörper über eine integrierte Kühlstruktur wie zum Beispiel Kühlrippen verfügen. Der Kühlkörper kann passiv gekühlt sein, beispielsweise durch Strahlungsaustausch und/oder Wärmeaustausch mit einem Umgebungsmedium. Alternativ kann der Kühlkörper aktiv gekühlt sein, beispielsweise durch ein durchströmendes Kühlmedium.
Je nach Einsatzbedingungen kann es notwendig sein, Komponenten des Leistungsmoduls gegen eine Umgebung hin zu verkapseln, um sie beispielsweise vor einem Kontakt mit umgebenden fluiden Medien oder Verschmutzungen wie z.B. Metallspäne zu schützen. Beispielsweise sollte vermieden werden, dass Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser in Kontakt mit Komponenten des Leistungsmoduls gelangt, um beispielsweise elektrische Kurzschlüsse und/oder Korrosion zu vermeiden. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen ein Leistungsmodul innerhalb von sehr aggressiven Medien wie beispielsweise im Innern eines mit aggressivem Öl gefluteten Getriebes eingesetzt werden sollen, sollten die Komponenten des Leistungsmoduls dicht eingepackt bzw. verkapselt sein.
Zu diesem Zweck kann das Leistungsmodul eine Dichtmasse aufweisen, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte gegen eine Umgebung hin abdeckt. Die Dichtmasse kann beispielsweise aus einem Material bestehen, welches sich flüssig oder viskos verarbeiten lässt und anschließend ausgehärtet werden kann. Beispielsweise kann die Dichtmasse mit einem Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff, einem thermoplastischen Kunststoff, einem Polymer und/oder einem Elastomer ausgebildet sein. Die Dichtmasse kann beispielsweise durch Spritzen, Molden, Gießen oder andere Prozesse verarbeitet werden.
Bei dem hier beschriebenen Gesamtaufbaukonzept für ein Leistungsmodul ist die Leiterplatte an einer Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet, welche nachfolgend als Kühloberfläche bezeichnet wird. Die Leiterplatte kann dabei direkt an der Kühloberfläche mechanisch anliegen. Alternativ können zwischen der Leiterplatte und der Kühloberfläche eine oder mehrere Schichten vorgesehen sein. Die Schicht bzw. Schichten können elektrisch isolierend und/oder gut wärmeleitfähig sein.
In der Leiterplatte sind dabei mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen. Anders ausgedrückt weist die Leiterplatte durchgehende Löcher auf, sodass ein Durchgriff von einer auf eine gegenüberliegende Seite der Leiterplatte möglich ist. Die Durchgangsöffnungen weisen dabei Abmessungen auf, welche es ermöglichen, in jeder der Durchgangsöffnungen zumindest einen der gehäusten Leistungshalbleiter aufzunehmen. Der gehäuste Leistungshalbleiter kann somit durch die jeweilige Durchgangsöffnung hindurch an die angrenzend angeordnete Kühloberfläche des Kühlkörpers angelagert werden.
Dementsprechend kann die Wärmeabführfläche des gehäusten Leistungshalbleiters an die Kühloberfläche des Kühlkörpers angebunden werden. Beispielsweise kann die vorzugsweise metallische Wärmeabführfläche an die ebenfalls vorzugsweise metallische Kühloberfläche angelötet oder angesintert werden. Dabei kann ein möglichst großflächiger Kontakt und somit eine großflächige wärmeleitende Anbindung angestrebt werden.
Um sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte mit den daran vorgesehenen Bauelementen gegen einen Kontakt mit gegebenenfalls schädigenden Medien zu schützen, können diese anschließend von der Dichtmasse mediendicht abgedeckt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leiterplatte mitsamt den Bauelementen und in Leistungshalbleitern mit einem Duroplast umspritzt, umgossen oder ummoldet wird.
Das vorgeschlagene Gesamtaufbaukonzept ermöglicht eine einfache Fertigung des Leistungsmoduls, eine effiziente Kühlung von dessen Komponenten, insbesondere der gehäusten Leistungshalbleiter, sowie eine Möglichkeit, ein Design des Leistungsmoduls unter Verwendung von Standard-Halbleiterbauelementen in verhältnismäßig einfacher Weise an Erfordernisse unterschiedlicher Applikationen anpassen zu können.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die gehäusten Leistungshalbleiter jeweils Anschlusselemente auf, welche sich an einer dem Kühlkörper abgewandten Seite oder an einer dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte parallel zu der Leiterplatte erstrecken.
Die Anschlusselemente können einerseits zur Weiterleitung von Steuersignalen dienen. Andererseits können Anschlusselemente auch zum Zu- und Abführen der durch den gehäusten Leistungshalbleiter zu steuernden elektrischen Leistung dienen.
Die Anschlusselemente können beispielsweise als eine Art Anschlussbeinchen für die in dem gehäusten Leistungshalbleiter aufgenommenen IGBTs, SiCs, Power-MOSFETs oder anderen Leistungshalbleiter-Bauelemente ausgestattet sein.
Bei herkömmlichen Aufbaukonzepten für Leistungsmodule verlaufen solche Anschlusselemente meist orthogonal zu einer Leiterplatte des Ansteuerschaltkreises. Beim Zusammenbau solcher herkömmlicher Leistungsmodule müssen derartige Anschlusselemente dann mit elektrisch leitfähigen Strukturen an der Leiterplatte elektrisch verbunden werden. Hierzu werden die Anschlusselemente im Rahmen der sogenannten Through-hole-Technologie meist in Durchgangslöcher in der Leiterplatte eingeführt und dort beispielsweise verlötet. Ein Einpassen der Anschlusselemente in die Durchgangslöcher kann jedoch insbesondere für den Fall, dass sehr viele Anschlusselemente mit der Leiterplatte verbunden werden müssen, aufwendig und/oder fehleranfällig sein.
Bei der beschriebenen Ausführungsform sollen die Anschlusselemente daher nicht orthogonal sondern parallel zu der Leiterplatte verlaufen. Mit einer solchen Ausgestaltung können die Anschlusselemente einfach und zuverlässig mit elektrisch leitfähigen Strukturen an der Leiterplatte verbunden werden.
Beispielsweise können die Anschlusselemente mit Anschlussflächen an der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte elektrisch verbunden werden. Die parallel zu der Leiterplatte verlaufenden Anschlusselemente können hierbei an die Anschlussflächen der Leiterplatte angelagert und dann mit diesen elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Verlöten oder Schweißen. Insbesondere kann hierzu ein als Spaltkopflöten bezeichnetes Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Anschlusselemente an die Anschlussflächen angepresst werden und dann ein elektrischer Strom hindurch geführt wird, mithilfe dessen Wärme zum Aufschmelzen eines Lots erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die gehäusten Leistungshalbleiter derart ausgebildet, dass eine elektrische Leistungsversorgung für jeden Leistungshalbleiter ausschließlich über die Anschlusselemente erfolgt.
Anders ausgedrückt soll ein Durchleiten der von dem gehäusten Leistungshalbleiter zu steuernden elektrischen Leistung vorzugsweise ausschließlich durch die Anschlusselemente des gehäusten Leistungshalbleiters erfolgen. Da die Anschlusselemente an der von dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte verlaufen und somit von außen einfach zugänglich sind, können diese Anschlusselemente bei der Fertigung des Leistungsmoduls in einfacher Weise mit Anschlussflächen der Leiterplatte verbunden werden.
Im Gegensatz hierzu gibt es gehäuste Leistungshalbleiter, bei denen eine mit Metall ausgebildete Wärmeabführfläche gleichzeitig als elektrischer Anschluss dient. Der metallische Kühlkörper, an dem die Wärmeabführfläche anliegt, kann dann auch als elektrischer Anschluss dienen. Die Wärmeabführfläche ist in diesem Fall jedoch in der Regel nicht einfach von außen zugänglich, sodass ein elektrisches Verbinden mit dem Kühlkörper aufwendig sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform können die gehäusten Leistungshalbleiter und/oder die Anbindung der gehäusten Leistungshalbleiter an den Kühlkörper derart ausgestaltet sein, dass elektrisch leitfähige leistungssteuernde Strukturen innerhalb der gehäusten Leistungshalbleiter von dem Kühlkörper elektrisch isoliert sind.
Mit anderen Worten kann beispielsweise der leistungssteuernde IGBT oder SiC in einem gehäusten Leistungshalbleiter einschließlich aller seiner Anschlüsse von der Wärmeabführfläche des gehäusten Leistungshalbleiters elektrisch isoliert sein, sodass selbst für den Fall, dass die Wärmeabführfläche elektrisch leitfähig an dem Kühlkörper anliegt, keine elektrische Verbindung zwischen diesen leistungssteuernden Strukturen und dem Kühlkörper besteht. Alternativ oder ergänzend kann zwischen der Wärmeabführfläche des gehäusten Leistungshalbleiters und der Kühloberfläche des Kühlkörpers eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein. Der Kühlkörper kann in diesem Fall einfach ausgebildet sein, beispielsweise als durchgehende metallische Struktur, insbesondere als Metallplatte. Hierbei kann der Kühlkörper als Wärmesenke für mehrere gehäuste Leistungshalbleiter dienen und mit diesen Leistungshalbleitern zwar in thermischem, nicht aber notwendigerweise in elektrischem Kontakt stehen. Eine strukturelle Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann somit verhältnismäßig einfach sein, da der Kühlkörper nicht als komplexes Bauelement zum elektrisch separierten Kontaktieren verschiedener Leistungshalbleiter ausgestattet sein braucht.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Leistungsmodul ferner einen Zwischenkreiskondensator aufweisen. Anders ausgedrückt kann ein Zwischenkreiskondensator, der für eine energetische Verkopplung mehrerer elektrischer Netze miteinander auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene sorgen kann, in das Leistungsmodul integriert sein. Hierdurch kann eine Funktionalität des Leistungsmoduls verbessert und/oder ein Aufbau des gesamten Leistungsmoduls vereinfacht werden. Der Zwischenkreiskondensator kann als Folienkondensator mit einem oder mehreren Wickeln ausgestaltet sein.
Insbesondere kann der Zwischenkreiskondensator benachbart zu einer dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Zwischenkreiskondensator oberhalb der über dem Kühlkörper befindlichen Leiterplatte angeordnet sein und sich somit in der unmittelbaren Nähe zu den gehäusten Leistungshalbleitern befinden. Hierdurch kann ein sehr niederinduktiver Aufbau realisiert werden. Dies wiederum kann ein sehr schnelles Schalten der Leistungshalbleiter ermöglichen.
Ferner kann der Zwischenkreiskondensator an die Leiterplatte elektrisch angebunden sein. Anders ausgedrückt kann der Zwischenkreiskondensator in einfach realisierbarer Weise beispielsweise an elektrische Anschlüsse der Leiterplatte angeschlossen sein, zum Beispiel durch Löten, Schweißen, Kleben oder ähnliche Techniken.
Ergänzend kann der Zwischenkreiskondensator zumindest teilweise in die Dichtmasse eingebettet sein. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Dichtmasse derart auszugestalten und aufzubringen, dass sie den gesamten Zwischenkreiskondensator sowie die gehäusten Leistungshalbleiter und zumindest einen Teil der Leiterplatte überdeckt und somit mediendicht verkapselt. Hierbei kann es bei der Fertigung des Leistungsmoduls genügen, eine zuvor ausgebildete Einheit aus Kühlkörper, Leiterplatte und Leistungshalbleitern zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator einem gemeinsamen Mold-Prozess zu unterziehen, bei dem alle genannten Bauteile mit der Dichtmasse umspritzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann zwischen dem Zwischenkreiskondensator und zumindest einem der Leistungshalbleiter eine Wärmeabschirmung angeordnet sein. Die Wärmeabschirmung kann hierbei derart ausgestaltet sein, dass verhindert wird, dass von den Leistungshalbleitern erzeugte Wärme übermäßig auf den wärmeempfindlichen Zwischenkreiskondensator übertragen wird. Die Wärmeabschirmung kann beispielsweise als Abschirmblech oder als metallische Schicht ausgebildet sein, sodass von den Leistungshalbleitern kommende Wärmestrahlung zu einem großen Anteil reflektiert wird und nicht den an einer entgegengesetzten Seite der Wärmeabschirmung befindlichen Zwischenkreiskondensator erwärmen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper ein thermisch leitfähiges Material eingefügt sein. Das thermisch leitfähige Material kann beispielsweise ein Material sein, welches flüssig oder viskos verarbeitbar ist und somit für einen großflächigen und vorzugsweise stoffschlüssigen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Leiterplatte und einer gegenüberliegenden Oberfläche des Kühlkörpers sorgen kann. Das thermisch leitfähige Material kann dabei Wärme vorzugsweise deutlich besser leiten als beispielsweise das Material der Leiterplatte.
Insbesondere kann das thermisch leitfähige Material Metallpartikel und/oder Keramikpartikel enthalten.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 bis 7 zeigen Schnittansichten durch Leistungsmodule gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul 1 zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers (nicht dargestellt) wie beispielsweise eines Elektromotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. 2 zeigt eine Schnittansicht durch das Leistungsmodul 1.
Das Leistungsmodul 1 umfasst mehrere gehäuste Leistungshalbleiter 3, eine Leiterplatte 5, einen Kühlkörper 7 sowie eine Dichtmasse 9. Der Kühlkörper 7 kann als Kühlplatte aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer ausgebildet sein und gegebenenfalls über Kühlstrukturen 21 verfügen. An der Leiterplatte 5 sind elektrische und/oder elektronische Bauelemente 11 vorgesehen, welche einen Ansteuerschaltkreis 13 zum Ansteuern der Leistungshalbleiter 3 bilden. Elektrische Leistung kann beispielsweise von einer Batterie über Außenanschlüsse 49 eingespeist werden und über andere Außenanschlüsse 49 dann gesteuert von dem Leistungsmodul 1 beispielsweise an Motorphasen eines Elektromotors geliefert werden.
Jeder der Leistungshalbleiter 3 weist an seiner hin zu dem Kühlkörper 7 gerichteten Außenseite eine Wärmeabführfläche 15 auf. An dieser Wärmeabführfläche 15 ist an dem gehäusten Leistungshalbleiter 3 eine metallische Fläche oder Platte vorgesehen, über die Wärme, die im Innern des gehäusten Leistungshalbleiters 3 beispielsweise von einem dort befindlichen, leistungssteuernden Halbleiter-Bauteil wie einem IGBT oder einem SiC erzeugt wird, abgeleitet werden kann.
Die gehäusten Leistungshalbleiter 3 verfügen dabei jeweils über elektrisch leitfähige Anschlusselemente 23. Im dargestellten Beispiel sind jeweils drei Anschlusselemente 23 an jedem Leistungshalbleiter 3 vorgesehen, es können jedoch auch mehr als drei Anschlusselemente 23 existieren. Die Anschlusselemente 23 dienen dazu, leistungssteuernde Strukturen beispielsweise in Form von Halbleiterbauelementen wie IGBTs oder SiCs im Innern der gehäusten Leistungshalbleiter 3 elektrisch anzubinden, um diese mit Steuersignalen und/oder der zu steuernden elektrischen Leistung zu versorgen.
Die Leiterplatte 5 ist oberhalb einer Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 angeordnet. Die Leiterplatte 5 kann dabei die Kühloberfläche 17 direkt oder über eine zwischengelagerte Schicht mechanisch kontaktieren.
In der Leiterplatte 5 sind mehrere Durchgangsöffnungen 19 vorgesehen, die geringfügig größer sind als die Leistungshalbleiter 3. In jeder der Durchgangsöffnungen 19 ist einer der gehäusten Leistungshalbleiter 3 angeordnet. Dabei ist die Wärmeabführfläche 15 des jeweiligen Leistungshalbleiters 3 wärmeleitfähig an eine Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 angebunden.
Die gehäusten Leistungshalbleiter 3 sind hierbei derart ausgestaltet und angeordnet, dass ihre Anschlusselemente 23 jeweils an einer dem Kühlkörper 7 abgewandten Seite der Leiterplatte 5 angeordnet sind und sich parallel zu der Leiterplatte 5 erstrecken.
Die Dichtmasse 9 überdeckt sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter 3 als auch einen Teilbereich der Leiterplatte 5. Dabei kapselt die beispielsweise durch ein Duroplast gebildete, gemoldete Dichtmasse 9 die genannten Komponenten fluiddicht ein.
Zum Fertigen des Leistungsmoduls 1 kann beispielsweise zuerst die Leiterplatte 5 auf den Kühlkörper 7 gelegt werden. Dabei kann die Leiterplatte 5 derart positioniert werden, dass ihre Durchgangsöffnungen 19 an gewünschten Positionen oberhalb der Kühloberflächen 17 zu liegen kommen. Die Leiterplatte 5 kann beispielsweise an den Kühlkörper 7 geschraubt, geklebt oder anderweitig an diesem befestigt werden. Anschließend können die gehäusten Leistungshalbleiter 3 in den Durchgangsöffnungen 19 der Leiterplatte 5 positioniert werden und mit ihrer jeweiligen Wärmeabführfläche 15 an der darunterliegenden Kühloberfläche 17 angebunden werden. Beispielsweise kann die mit einer metallischen Schicht ausgebildete Wärmeabführfläche 15 an die ebenfalls metallische Kühloberfläche 17 gelötet oder gesintert werden. Insbesondere kann die Wärmeabführfläche 15 im Rahmen eines SMD-Lötvorgangs an die Kühloberfläche 17 gelötet werden, bei dem auch die Bauelemente 11 des Ansteuerschaltkreis 13 an die Leiterplatte 5 gelötet werden. Die länglichen Anschlusselemente 23 der Leistungshalbleiter 3 erstrecken sich dabei parallel zu der Leiterplatte 5 an oder knapp oberhalb von Anschlussflächen 25 der Leiterplatte 5. Die derart verlaufenden Anschlusselemente 23 sind somit von außen her einfach zu erreichen und können beispielsweise durch Spaltkopflöten an die Anschlussflächen 25 angelötet werden. Abschließend kann die gesamte auf diese Weise gebildete Einheit aus Leistungshalbleitern 3, Bauelementen 11 und Leiterplatte 5 in einem gemeinsamen Moldvorgang mit der Dichtmasse 9 abgedeckt und somit verkapselt werden.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Leistungsmoduls 1. Hierbei ist der Kühlkörper 7 zweiteilig aufgebaut und verfügt über eine obere Kühlplatte 27, die durch eine zwischengelagerte elektrisch isolierende Schicht 29 von einer unteren Kühlstruktur 31 separiert ist. Die elektrisch isolierende Schicht 29 kann eine thermisch leitfähige Folie sein.
Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Kühlkörper 7 und insbesondere dessen obere Kühlplatte 27 als Stromschiene benutzt werden. Über eine solche Stromschiene können die Leistungshalbleiter 3 mit elektrischer Leistung versorgt werden. In einer solchen Ausgestaltung steht die mit dem Kühlkörper 7 verbundene Wärmeabführfläche 15 vorzugsweise in elektrischer Verbindung mit Anschlüssen der leistungssteuernden Strukturen im Innern der Leistungshalbleiter 3. D.h. zum Beispiel ein elektrischer Anschluss eines IGBT's oder eines SiC's kann mit der metallischen Wärmeabführfläche 15 elektrisch verbunden sein.
In den 4 bis 7 sind Ausführungsformen des Leistungsmoduls 1 dargestellt, welche zusätzlich über einen Zwischenkreiskondensator 33 verfügen. Der Zwischenkreiskondensator 33 kann mehrere Wickel 35 aufweisen. Dabei ist der Zwischenkreiskondensator 33 benachbart zu einer dem Kühlkörper 7 abgewandten Seite der Leiterplatte 5 angeordnet und mit der Leiterplatte 5 elektrisch verbunden. Um den Zwischenkreiskondensator 33 zu schützen, ist dieser dabei teilweise oder vollständig in die Dichtmasse 9 eingebettet.
Um die Wickel 35 des Zwischenkreiskondensators 33 vor übermäßiger Erwärmung zu schützen, kann zwischen den im Betrieb heißen gehäusten Leistungshalbleitern 3 und den darüber liegenden Wickeln 35 jeweils eine Wärmeabschirmung 37 beispielsweise in Form eines Abschirmblechs 39 vorgesehen sein.
Wie bei dem Beispiel aus 4 gezeigt kann diese Abschirmung 37 durch die Dichtmasse 9 fixiert sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Abschirmung 37 beispielsweise am Rand oder in der Mitte an entsprechend hierfür vorgesehene Strukturen an der Leiterplatte 5 thermisch leitfähig angebunden werden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung 41, wie in zwei verschiedenen Optionen in 5 und 6 gezeigt.
Eine thermische Anbindung zwischen der Abschirmung 37 und der Kühloberfläche 17 des Kühlkörpers 7 kann hierbei beispielsweise über thermische Durchgänge 43 (engl.: thermal vias) in der Leiterplatte 5 erfolgen. Eventuell können auch Kondensatoranschlüsse 45 der Wickel 35 über thermische Durchgänge 43 an den Kühlkörper 7 wärmeleitend angebunden sein.
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform ist zwischen der Leiterplatte 5 und dem Kühlkörper 7 eine Schicht aus thermisch leitfähigem Material 47 zwischengelagert, um die Leiterplatte 5 thermisch an den Kühlkörper 7 anzubinden.
Abschließend werden mögliche Ausgestaltungen und Details von Ausführungsformen des hierin vorgestellten Leistungsmoduls zusammenfassend und mit geringfügig anderer Wortwahl erläutert:

Es wird ein Aufbau eines Powermodules vorgestellt mit gehäusten Leistungshalbleitern (beispielsweise IGBTs, SiC, etc), die direkt mit Ihrem Exposed Pad auf einen Kühlkörper, vorzugsweise eine Kupferplatte mit integrierter Kühlstruktur (kann aber auch nur eine Metallplatte sein) aufgesintert, aufgelötet oder aufgeklebt werden. Das Exposed Pad des gehäusten Bauteils ist hierfür vorzugsweise elektrisch isoliert (im Bauteil), allerdings wäre es auch denkbar die Metallplatte zu isolieren.

Eine Besonderheit liegt im Gesamtaufbaukonzept des Modules unter Verwendung von diskreten Komponenten:

Auf die Kühlplatte, vorzugsweise Kupfer, wird eine Leiterplatte (Vorzugsweise FR4) gelegt, geschraubt oder anderweitig befestigt. Diese weist Ausschnitte auf, sodass trotzdem die gehäusten Leistungshalbleiter mit Ihrem Exposed Pad direkt auf die Kupferplatte gelötet bzw. gesintert werden können. Bei dem hier verwendeten vorzugsweisen isolierten TO247- Gehäuse (aber auch andere Gehäuse, wie das E3PAK von IFX können verwendet werden, wenn man die Anschlusspins etwas biegt), können dann die Anschlussbeinchen ohne weitere Bearbeitung direkt mit den Leiterplatte verbunden (kein through-hole /kein Durchstecken) werden. Dies erfolgt in dieser Anwendung vorzugsweise durch Spaltkopflöten. Hier sind aber auch andere Verfahren wie z.B. Löten und Schweißen denkbar. Um diesen Gesamtaufbau vor einer rauen Umgebung (Vibration, Medienbeständigkeit) zu schützen, wird dieser mit Duroplast ummoldet. Die Stromführung erfolgt hier vorzugsweise über die integrierte Leiterplatte. Diese dient zusätzlich auch als Schaltungsträger für Ansteuerkomponenten der Leistungshalbleiter (hier vorzugsweise IGBTs bzw. SiC im TO247-Gehäuse).

Als weitere Ausführungsformen sind denkbar:

- die Kühlplatte wird zusätzlich als Stromschiene benutzt. Die Leistungshalbleiter sind hinsichtlich Exposed Pad nicht isoliert bzw. nur bestimmte Schalter.
- zusätzlich ist es auch möglich, Anteile oder den gesamten Zwischenkreiskondensator in das Powermodul zu integrieren. Dabei werden vorzugsweise die einzelnen Wickel des Folienkondensators direkt über die Leistungshalbleiter angeordnet (sehr niederinduktiver Aufbau, welcher sehr schnelles Schalten ermöglicht) und an die Leiterplatte angebunden (hier sind Verfahren wie Löten, Schweißen, Kleben denkbar) und zusammen mit dem Gesamtmodul durch Ummolden vor der Umgebung und gegen Vibration geschützt. Um den Kondensator vor den heißen Leistungshalbleitern zu schützen, kann ein Abschirmblech zwischen Wickel und Leistungsschalter platziert werden. Dieses wird an die Leiterplatte durch Löten, Schweißen, etc. angebunden, um so die Wärme in Richtung Leiterplatte abzuführen.
- Zwischen Leiterplatte und Kühlplatte wird vorzugsweise ein thermisch leitfähiges Material eingefügt, um auch Teile der Leiterplatte gut an die Kühlplatte anzubinden. Im Speziellen lassen sich damit auch die hochstromführenden Bahnen in der Leiterplatte kühlen, was den Vorteil hat, dass man die benötigen Querschnitt verringern kann.

Mit Ausführungsform des vorgestellten Leistungsmoduls lassen sich unter anderem folgende Vorteile erreichen:

- Einfaches und robustes Aufbau- und Verbindungskonzept, welches sich für eine Umspritztechnik (im Getriebebereich) von gehäusten Bauelementen gut eignet.
- Standardkomponenten können ohne Through-Hole /Durchstecken angebunden werden
- Ansteuerschaltkreise der Leistungshalbleiter können direkt auf der Leiterplatte platziert werden und sitzen sehr nahe bei den Leistungsschaltern, was ein schnelles Schalten unterstützt.
- Mit einem SMD-Lötprozess können sowohl die Leistungshalbleiter als auch die Ansteuerschaltkreise gelötet werden.
- Mit einem Umspritzprozess kann ein komplette Powermodul, incl. Ansteuerung und Zwischenkreis mediendicht geschützt werden.
- Einfache Verarbeitbarkeit der gehäusten Leistungsschalter, verglichen mit Bare-Die-Lösungen.
- Durch die Umspritztechnik sind kleinere Isolationsabstände hinsichtlich Hochvolt möglich.
- Hohes Kostenpotential durch Verwendung von Standard-Leistungsschaltern in Standardgehäusen (guter Wettbewerb).
- Gute Skalierbarkeit des Modules hinsichtlich Stromanforderung (durch Parallelschaltung der Leistungsschalter).
- Hohe Flexibilität bezüglich Bauraum.
- Hohe Wertschöpfung bei Inhousefertigung.
- Bei Integration des Zwischenkreiskondensators in das Modul ist ein sehr niederinduktiver Aufbau möglich, welcher ein sehr schnelles Schalten ermöglicht.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsmodul
3: Leistungshalbleiter
5: Leiterplatte
7: Kühlkörper
9: Dichtmasse
11: Bauelemente
13: Ansteuerschaltkreis
15: Wärmeabführfläche
17: Kühloberfläche
19: Durchgangsöffnungen
21: Kühlstrukturen
23: Anschlusselemente
25: Anschlussflächen
27: obere Kühlplatte
29: elektrisch isolierende Schicht
31: untere Kühlstruktur
33: Zwischenkreiskondensator
35: Wickel
37: Abschirmung
39: Abschirmblech
41: Schweißverbindung
43: thermische Durchgänge
45: Kondensatoranschlüsse
47: thermisch leitfähiges Material
49: Außenanschlüsse

Claims

Leistungsmodul (1) zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers, wobei das Leistungsmodul (1) aufweist: eine Mehrzahl von gehäusten Leistungshalbleitern (3), welche jeweils an einer Außenseite eine Wärmeabführfläche (15) aufweisen, eine Leiterplatte (5), und einen Kühlkörper (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) an einer Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angeordnet ist und mehrere Durchgangsöffnungen (19) aufweist, und jeder der gehäusten Leistungshalbleiter (3) in einer der Durchgangsöffnungen (19) der Leiterplatte (5) angeordnet ist und mit seiner Wärmeabführfläche (15) wärmeleitfähig an der Kühloberfläche (17) des Kühlkörpers (7) angebunden ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul ferner eine Dichtmasse (9) aufweist, welche sowohl die gehäusten Leistungshalbleiter (3) als auch zumindest Teilbereiche der Leiterplatte (5) gegen eine Umgebung hin abdeckt.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) mit Bauelementen (11) bestückt ist, welche einen Ansteuerschaltkreis (13) zum Ansteuern der Leistungshalbleiter (3) bilden.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusten Leistungshalbleiter (3) jeweils Anschlusselemente (23) aufweisen, welche sich parallel zu der Leiterplatte (5) erstrecken.
Leistungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (23) sich an einer dem Kühlkörper (7) abgewandten Seite der Leiterplatte (5) erstrecken.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (23) mit Anschlussflächen (25) an der dem Kühlkörper (7) abgewandten Seite der Leiterplatte (5) elektrisch verbunden sind.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusten Leistungshalbleiter (3) derart ausgebildet sind, dass eine elektrische Leistungsversorgung für jeden Leistungshalbleiter (3) ausschließlich über die Anschlusselemente (23) erfolgt.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusten Leistungshalbleiter (3) und/oder die Anbindung der gehäusten Leistungshalbleiter (3) an den Kühlkörper (7) derart ausgestaltet sind, dass elektrisch leitfähige leistungssteuernde Strukturen innerhalb der gehäusten Leistungshalbleiter (3) von dem Kühlkörper (7) elektrisch isoliert sind.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (1) ferner einen Zwischenkreiskondensator (33) aufweist.
Leistungsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (33) benachbart zu einer dem Kühlkörper (7) abgewandten Seite der Leiterplatte (5) angeordnet ist
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (33) an die Leiterplatte (5) elektrisch angebunden ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (33) zumindest teilweise in die Dichtmasse (9) eingebettet ist.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenkreiskondensator (33) und zumindest einem der gehäusten Leistungshalbleiter (3) eine Wärmeabschirmung (37) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leiterplatte (5) und dem Kühlkörper (7) ein thermisch leitfähiges Material (47) eingefügt ist.