DE102019207012A1 - Elektronikmodul zur Leistungssteuerung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul (100) zur Leistungssteuerung, wobei das Elektronikmodul (100) folgende Merkmale aufweist: ein Trägerelement (102), zumindest ein Leistungsschaltelement (104) mit einer Kühlfläche (106), welches mit dem Trägerelement (102) elektrisch verbunden ist und einen Kühlkörper (126), wobei der Kühlkörper (126) in einem montierten Zustand des Elektronikmoduls (100) direkt mit der Kühlfläche (106) des Leistungsschaltelements (104) thermisch leitfähig verbunden ist und wobei eine Stromschiene (101) vorhanden ist, welche zwischen dem Trägerelement (102) und dem zumindest einen Leistungsschaltelement (104) angeordnet ist und eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägerelement (102) und dem zumindest einen Leistungsschaltelement (104) herstellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronikmodul zur Leistungssteuerung.
  • Eine große Herausforderung bei der Herstellung von Elektronikmodulen, etwa zur Getriebe- oder Leistungssteuerung in Fahrzeugen, stellt die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente dar. Dabei bedingt der Wunsch, immer mehr Leistung in einen immer kleiner werdenden Bauraum zu integrieren, entsprechend hohe Anforderungen an die Wärmeabfuhr.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 205 243.3 ist ein Elektronikmodul zur Leistungssteuerung bekannt. Dieses Elektronikmodul umfasst ein Trägerelement mit zumindest einem Leistungsschaltelement, einem Kühlkörper zur Kühlung des Leistungsschaltelements sowie ein Gehäuse auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Elektronikmodul anzugeben, welches zum Stand der Technik kompakter aufgebaut ist und für höhere Leistungsströme geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Elektronikmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Elektronikmodul umfasst ein Trägerelement, zumindest ein Leistungsschaltelement mit einer Kühlfläche , welches mit dem Trägerelement elektrisch verbunden ist und einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper ist in einem montierten Zustand des Elektronikmoduls direkt mit der Kühlfläche des Leistungsschaltelements thermisch leitfähig verbunden. Ferner ist eine Stromschiene vorhanden, welche zwischen dem Trägerelement und dem zumindest einen Leistungsschaltelement angeordnet ist und eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägerelement und dem zumindest einen Leistungsschaltelement herstellt.
  • Mit dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung wird somit ein Modul mit hoher Integrationsdichte und optimaler thermischer Anbindung des zumindest einen Leistungsschaltelements an den Kühlkörper geschaffen. Gleichzeitig wird durch die Verwendung einer Stromschiene gewährleistet, dass hohe Ströme zu den Leistungsschaltelementen transportiert werden können. Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch das direkte Ankopplung der Kühlfläche des Leistungsschaltelements an den Kühlkörper ein effizienterer Wärmeabtransport gegenüber bekannten technischen Lösungen stattfinden kann. Durch die Verwendung einer Stromschiene ist es möglich, die Dimension der Stromschiene unabhängig von den Dimensionen der Leiterbahnen innerhalb des Trägerelements anzupassen. Dadurch ist eine höhere Flexibilität beim Aufbau eines Elektronikmoduls für unterschiedliche Ströme möglich.
  • Unter einem Elektronikmodul kann beispielsweise ein Modul zur Steuerung eines Getriebes, insbesondere eines Fahrzeuggetriebes, oder ein Leistungselektronikmodul verstanden werden. Unter einem Trägerelement kann beispielsweise eine Leiterplatte, auch Platine oder PCB (Printed Circuit Board) genannt, verstanden werden. Das Trägerelement kann je nach Ausführungsform ein- oder zweiseitig mit elektronischen Bauelementen bestückt sein. Unter einem Leistungsschaltelement kann ein elektronischer Schalter, etwa ein MOSFET oder ein sonstiger halbleiterbasierter Leistungsschalter, verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei dem Leistungsschaltelement um Endstufen einer Verstärkerschaltung handeln. Dabei können mehrere Leistungsschaltelemente miteinander parallel geschaltet sein. Bei der Kühlfläche kann es sich beispielsweise je um einen Oberflächenabschnitt einer dem Trägerelement abgewandten Oberseite des Leistungsschaltelementes handeln. Unter einem Kühlkörper kann ein Körper aus einem Material mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere ein Körper aus Kupfer oder aus einem sonstigen geeigneten Metall, verstanden werden. Der Kühlkörper kann beispielsweise auch als ein Verbund aus unterschiedlichen Materialien realisiert sein. Unter einem Kühlkörper kann ferner ein als Wärmesenke fungierender Körper verstanden werden, der durch seine Geometrie oder seine Materialbeschaffenheit Wärme besonders gut aufnehmen und wieder abgeben kann.
  • Das Leistungsschaltelement kann als MOSFET, IGBT oder Thyristor realisiert sein.
  • Die Stromschiene kann ein Bestandteil des Trägerelements sein. Dies bedeutet, dass die Stromschiene im Herstellungsprozess des Trägerelements in dieses bereits integriert ist. Dadurch ist es möglich, dass Leitungswege zwischen der Stromschiene und z.B. in dem Trägerelement integrierten elektronischen Bauelementen minimiert werden können. Ferner ist es möglich, die Stromschiene optimal in das Trägerelement zu integrieren, da der Verlauf anderer Leiterbahnen besser berücksichtigt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Stromschiene auf das Trägerelement aufgebracht werden kann und mit diesem elektrisch verbunden werden kann. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Trägerelement kann dabei mittels eines SMD-Prozesses, Press Fit, Sinterung, Löten, Kleben oder Schweißen erfolgen. Eine elektrische Verbindung kann dabei zwischen der Stromschiene und einer im Trägerelement integrierten Leiterbahn hergestellt werden. Bei dieser im Trägerelement integrierten Leiterbahn kann es sich z.B. ebenfalls um eine Stromschiene handeln.
  • Das Leitungsschaltelement kann stoffschlüssig auf die Stromschiene aufgebracht sein. Die Herstellung der Verbindung kann dabei z.B. mittels Löten, Sintern, Kleben, Schweißen oder anderen einem Fachmann geläufigen Verfahren erfolgen.
  • Das Elektronikmodul kann ein Gehäuse aufweisen, welches das zumindest eine Leistungsschaltelement sowie die Stromschiene vollständig öldicht umschließt. Hierdurch wird verhindert, dass beim Einsatz des Elektronikmodul in einem Ölraum, z.B. in einem Getriebe, Öl und/oder sich dort befindliche metallische Abriebteile an die Stromschiene und/oder das Leistungsschaltelement gelangen. Dadurch können Korrosionsschäden und Kurzschlüsse im Leistungsschaltelement verhindert werden. Ferner kann das Treiberelement sowie der Kühlkörper zumindest teilweise öldicht von dem Gehäuse umschlossen sein. Damit ist es möglich, dass lediglich dieser Bereich des Treiberelements bzw. Kühlkörpers öldicht abgeschlossen werden, welche z.B. einen Übergang zu einem anderen Bauelement darstellen oder welche z.B. empfindliche metallische Strukturen, z.B. Leiterbahnen auf dem Treiberelement aufweisen. Ferner kann durch ein teilweises Umschließen des Treiberelements und des Kühlkörpers der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt werden.
  • Das Gehäuse kann dabei aus einem Gehäusematerial gebildet sein. Unter einem Gehäusematerial kann etwa ein Kunststoff oder ein kunststoffhaltiges Verbundmaterial, z.B. eine Moldmasse verstanden werden. Dadurch kann das Gehäuse besonders kostengünstig und kompakt hergestellt werden. Es ist dabei möglich, dass die Stromschiene, das zumindest eine Leistungsschaltelement sowie das Treiberelement und der Kühlkörper mit der Moldmasse umspritzt bzw. teilweise umspritzt werden. Dadurch ist es möglich, dass das Elektronikmodul auch im Ölraum eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs verbaut werden kann.
  • Der Kühlkörper des Elektronikmoduls kann auf einer der Kühlfläche des Leistungsschaltelements abgewandten Seite eine Kühlstruktur zur Anbindung eines weiteren Kühlers aufweisen. Diese Kühlstruktur kann z.B. ein mäanderförmiger Kanal oder eine Pinfin-Struktur zur Durchleitung eines Kühlmediums sein. Der weitere Kühler kann z.B. ein Kühlkörper eines anderen Elektronikmoduls sein. Es ist aber auch möglich, dass der weitere Kühler eine andere Wärmesenke z.B. eines Fahrzeugs ist. Der Kühlkörper des Elektronikmoduls kann dabei eine Dichtung aufweisen mit welcher die Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem weiteren Kühler abgedichtet werden kann. Mittels dieser Abdichtung wird erreicht, dass im montierten Zustand kein Kühlmedium aus der Kühlstruktur heraustreten kann.
  • Der Kühlkörper kann zumindest größtenteils aus Kupfer realisiert sein und/oder Kupfer als Hauptbestandteil umfassen. Beispielsweise kann der Kühlkörper als Kupferplatte oder Kupferblech realisiert sein. Alternativ kann der Kühlkörper aus einer kupferhaltigen Legierung realisiert sein. Dadurch wird ein effizienter Wärmeabtransport bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten ermöglicht.
  • Der Kühlkörper kann Durchbrechungen aufweisen, welche von einem Kontaktbereich des Leistungsschaltelements auf der Stromschiene bis in einen Bereich außerhalb des Elektromoduls verlaufen. Durch diese Durchbrechungen, z.B. Bohrungen ist es möglich mittels z.B. Laserschweißen einen Kontaktpin des Leistungsschaltelements auf der Stromschiene zu befestigen. Die Durchbrechung kann im montierten Zustand von dem Gehäuse abgedeckt sein. Ferner ist es möglich, dass die Durchbrechung mit der Moldmasse verfüllt wird.
  • Das Elektronikmodul kann in einem Kraftfahrzeug zur Steuerung eines Elektromotors im Antriebsstrang oder in einer Lenkung verwendet werden. Das Elektronikmodul kann als Leistungsmodul Spannungen im Bereich von 400V bis 1000 V schalten. Ferner ist es möglich, dass in das Elektronikmodul neben ein oder mehreren Leistungsschaltelementen auch Zwischenkreiskondensatoren verbaut sind.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektronikmoduls 100 zur Leistungssteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100, beispielsweise eine Komponente eines elektronischen Steuergeräts oder einer Leistungselektronik für ein (Elektro-)Fahrzeug, umfasst ein Trägerelement 102, auch Schaltungsträger genannt, das einseitig mit zwei Stromschienen 101 sowie mit einem ersten Leistungsschaltelement 104 mit einer ersten Kühlfläche 106 bestückt ist. Die Kühlfläche 106 dient zur Wärmeabfuhr über eine dem Trägerelement 102 abgewandte Oberseite des Leistungsschaltelements 104, was auch als Top Side Cooling bezeichnet wird. Das Leistungsschaltelement 104 ist beispielsweise als MOSFET-Endstufen realisiert.
  • Die Stromschienen 101 sind auf im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Oberseite des Trägerelements 102 aufgebracht. Die Stromschienen 101 sind dabei fest mit dem Trägerelement 102 verbunden, so dass ein Verrutschen oder Lösen der Stromschiene 101 von dem Trägerelement 102 verhindert wird. Zudem sind die Stromschienen 101 mit in dem Trägerelement 102 gegebenenfalls vorhandenen nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen verbunden.
  • Das Leistungsschaltelement 104 ist auf den Stromschienen 101 derart aufgebracht, dass eine möglichst verlustfrei elektrisch Verbindung zwischen den Anschlusspins des Leistungsschaltelements 104 und den Stromschienen 101 vorhanden ist. Die Befestigung erfolgt dabei mittels Löten, Schweißen oder anderen einem Fachmann geläufigen Verbindungstechniken zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.
  • Beispielhaft ist die Kühlfläche 106 jeweils durch Verlöten an einer Lötstelle 118 mit einem Kühlkörper 126 thermisch leitfähig verbunden. Alternativ ist die Kühlfläche 106 durch Verkleben mit dem Kühlkörper 126 stoffschlüssig verbunden. Beispielhaft können mehrere Leistungsschaltelemente 104 vorhanden sein, welche ebenfalls mit ihren Kühlflächen 104 thermisch leitfähig mit einer Kontaktierungsseite 120 des Kühlkörpers 126 verbunden sind. Somit sind die Kühlflächen 106 der mehreren Leistungsschaltelemente 104 über den Kühlkörper 126 thermisch miteinander gekoppelt. Dadurch, dass sich der Kühlkörper 126 auch über zwischen den mehreren Leistungsschaltelementen 104 liegende Bereiche des Trägerelements 102 erstreckt, kann die Wärmeabfuhr über den Kühlkörper 126 besonders effizient erfolgen, da eine Gesamtoberfläche des Kühlkörper 126 im Vergleich zu einer Gesamtoberfläche der Kühlflächen 106 der mehreren Leistungsschaltelementen 104 oder zu einer Gesamtoberfläche von separat auf je eines der Leistungsschaltelemente 104 aufgebrachten Kühlplättchen deutlich größer ausfällt.
  • Eine der Kontaktierungsseite 120 gegenüberliegende zweite Kontaktierungsseite 124 des Kühlkörpers 126 dient der Ausbildung einer Kühlstruktur, z.B. einem mäanderförmigen Kanal oder einer PinFin-Struktur zur thermisch leitfähigen Kontaktierung an einen weiteren nicht dargestellten Kühlkörper. Auf der zweiten Kontaktierungsseite 124 des Kühlkörpers 126 ist eine Dichtung ausgebildet. Diese Dichtung dient dazu, dass im montierten Zustand des Elektronikmoduls 100 auf einem weiteren Kühlkörper das durch die Kühlstruktur strömende Kühlmedium nicht austreten kann. Weiterhin nicht dargestellt sind Zu- und Ablauf des Kühlmediums in die Kühlstruktur. Der Kühlkörper 126 ist beispielsweise als Komponente eines Wasserkühlers ausgebildet.
  • Das Gehäuse 200 ist beispielsweise durch Umspritzen des Elektronikmoduls 100 mit einem geeigneten Gehäusematerial, beispielsweise einem Duroplast oder einem sonstigen geeigneten Kunststoff oder kunststoffhaltigen Verbundwerkstoff, gebildet.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Elektronikmodul
    102
    Trägerelement
    101
    Stromschiene
    104
    Leistungsschaltelement
    106
    Kühlfläche
    118
    Lötstelle
    120
    erste Kontaktierungsseite
    124
    zweite Kontaktierungsseite
    126
    Kühlkörper
    130
    Kühlstruktur
    140
    Dichtung
    200
    Gehäuse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018205243 [0003]

Claims (8)

  1. Elektronikmodul (100) zur Leistungssteuerung, wobei das Elektronikmodul (100) folgende Merkmale aufweist: ein Trägerelement (102), zumindest ein Leistungsschaltelement (104) mit einer Kühlfläche (106), welches mit dem Trägerelement (102) elektrisch verbunden ist und einen einen Kühlkörper (126) dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (126) in einem montierten Zustand des Elektronikmoduls (100) direkt mit der Kühlfläche (106) des Leistungsschaltelements (104) thermisch leitfähig verbunden ist und dass eine Stromschiene (101) vorhanden ist, welche zwischen dem Trägerelement (102) und dem zumindest einen Leistungsschaltelement (104) angeordnet ist und eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägerelement (102) und dem zumindest einen Leistungsschaltelement (104) herstellt.
  2. Elektronikmodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (101) ein Bestandteil des Trägerelements (102) ist.
  3. Elektronikmodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (101) auf das Trägerelements (102) aufgebracht ist und mit diesem elektrisch verbunden ist.
  4. Elektronikmodul (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (200) vorhanden ist, welches das zumindest eine Leistungsschaltelement (104) sowie die Stromschiene (101) vollständig und das Treiberelement (102) sowie den Kühlkörper (126) zumindest teilweise öldicht umschließt.
  5. Elektronikmodul (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (200) aus einer Moldmasse gebildet ist.
  6. Elektronikmodul (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (126) auf einer der Kühlfläche (106) abgewandten Seite eine Kühlstruktur (130) zur Anbindung an einen weiteren Kühler aufweist.
  7. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kühlkörper (126) zumindest größtenteils aus Kupfer realisiert ist und/oder Kupfer als Hauptbestandteil umfasst.
  8. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (126) direkt mit der Kühlfläche (106) Leistungsschaltelements (104) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet und/oder verklebt ist.
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