DE102020207686A1 - Power module for operating an electric vehicle drive with optimized cooling and contacting - Google Patents

Power module for operating an electric vehicle drive with optimized cooling and contacting Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (100, 200), umfassend Anbringen mehrerer Leistungsschalter auf einem Isoliersubstrat (12, 52), wobei das Isoliersubstrat (12, 52) eine erste Metalllage (14, 54), eine zweite Metalllage (18, 58) und eine zwischen der ersten Metalllage (14, 54) und der zweiten Metalllage (18, 58) angeordnete Isolierlage (16, 56) umfasst, wobei die mehreren Leistungsschalter auf einer Außenseite der zweiten Metalllage (18, 58) angebracht werden; Anbringen mehrerer elektrischer Anschlüsse (20, 22, 60, 62) an der Außenseite der zweiten Metalllage (18, 58) des Isoliersubstrats (12, 52) zum Kontaktieren der Leistungsschalter und/oder zum Einspeisen eines Eingangsstroms und/oder zum Ausgeben eines Ausgangsstroms, wobei sich die elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) in einer von der ersten Metalllage (14, 54) abgewandten Richtung erstrecken; Einbringen des Isoliersubstrats (12, 52) in eine Versiegelungsanlage (26, 66), wobei die Leistungsschalter einem Boden der Versiegelungsanlage (26, 66) zugewandt sind, wobei im Boden der Versiegelungsanlage (26, 66) mehrere Ausnehmungen (24, 28, 64, 68) zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) angeordnet sind; Versiegeln der Leistungsschalter mittels eines Versiegelungsmaterials (29, 69).A method of manufacturing a power module (100, 200), comprising mounting a plurality of power switches on an insulating substrate (12, 52), the insulating substrate (12, 52) having a first metal layer (14, 54), a second metal layer (18, 58) and an insulating layer (16, 56) disposed between the first metal sheet (14, 54) and the second metal sheet (18, 58), the plurality of circuit breakers being mounted on an exterior of the second metal sheet (18, 58); Attaching a plurality of electrical connections (20, 22, 60, 62) to the outside of the second metal layer (18, 58) of the insulating substrate (12, 52) for contacting the circuit breakers and/or for feeding in an input current and/or for outputting an output current, wherein the electrical connections (20, 22, 60, 62) extend in a direction away from the first metal layer (14, 54); Introducing the insulating substrate (12, 52) into a sealing facility (26, 66), the circuit breakers facing a bottom of the sealing facility (26, 66), a plurality of recesses (24, 28, 64 , 68) arranged to receive the electrical terminals (20, 22, 60, 62); sealing the circuit breakers with a sealing material (29, 69).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.The present invention relates to the field of electromobility, in particular the power modules for operating an electric drive for a vehicle.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs.Power modules, in particular integrated power modules, are increasingly being used in motor vehicles. Such power modules are used, for example, in DC / AC inverters, which are used to energize electrical machines such as electric motors with a multiphase alternating current. A direct current generated from a DC energy source, such as a battery, is converted into a multiphase alternating current. The power modules are based on power semiconductors, in particular transistors such as IGBTs, MOSFETs and HEMTs.

In Anwendungsfällen mit hohen Strömen, etwa 400V- oder 800V-Anwendungen, wird eine entsprechend große Menge an Wärme in den Leistungsmodulen erzeugt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um eine Überhitzung der Leistungsschalter zu verhindern, die die Funktionalität der Leistungsmodule bzw. des Wechselrichters beeinträchtigen kann. Für diesen Zweck wird ein Kühlkörper im Leistungsmodul verwendet, mit dem sich die Leistungsschalter in thermischer Kopplung befinden.In applications with high currents, such as 400V or 800V applications, a correspondingly large amount of heat is generated in the power modules. This heat must be dissipated in order to prevent the circuit breaker from overheating, which can impair the functionality of the power modules or the inverter. For this purpose, a heat sink is used in the power module, with which the circuit breakers are thermally coupled.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen ist der Kühleffekt bauartbedingt nicht zufriedenstellend. Eine Überhitzung des Leistungsmoduls kann nicht wirksam verhindert werden. Außerdem ist die Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse, die auf dem Leistungsmodul angebracht sind, bauartbedingt aufwändig. In the case of the power modules known from the prior art, the cooling effect is not satisfactory due to the design. Overheating of the power module cannot be effectively prevented. In addition, the contacting of the electrical connections that are attached to the power module is complex due to the design.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Überhitzung des Leistungsmoduls durch verbesserte Wärmeabfuhr wirksamer zu verhindern und die Kontaktierung des Leistungsmoduls gleichzeitig zu vereinfachen.The invention is therefore based on the object of preventing overheating of the power module more effectively through improved heat dissipation and at the same time simplifying the contacting of the power module.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls sowie ein solches Leistungsmodul und dessen Verwendung in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method for producing a power module and such a power module and its use in a vehicle according to the independent claims.

Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.The power module in the context of this invention is used to operate an electric drive of a vehicle, in particular an electric vehicle and / or a hybrid vehicle. The power module is preferably used in a DC / AC inverter. In particular, the power module is used to energize an electric machine, for example an electric motor and / or a generator. A DC / AC inverter is used to generate a multiphase alternating current from a direct current generated by means of a DC voltage from an energy source, for example a battery.

Zum Einspeisen eines Eingangsstroms (Gleichstroms) weist das Leistungsmodul vorzugsweise einen Eingangskontakt mit einem Positivpol und einem Negativpol auf. Im Betrieb des Leistungsmoduls ist der Positivpol mit einem Positivanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden, wobei der Negativpol mit einem Negativanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden ist.To feed in an input current (direct current), the power module preferably has an input contact with a positive pole and a negative pole. When the power module is in operation, the positive pole is connected in an electrically conductive manner to a positive connection of the battery, the negative pole being connected in an electrically conductive manner to a negative connection of the battery.

Das Leistungsmodul weist ferner eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf, die zum Dämpferkondensator parallelgeschaltet sind. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter diene dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen.The power module also has a plurality of power switches that are connected in parallel to the damper capacitor. These semiconductor-based circuit breakers are used to generate an output current based on the input current fed in by controlling the individual circuit breakers. The control of the circuit breakers can be based on what is known as pulse width modulation.

Vorzugsweise wird aus den Leistungsschaltern eine Brückenschaltungsanordnung gebildet. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HS-Schalter) und einen zum Highside-Schalter reihengeschalteten Lowside-Schalter (LS-Schalter). Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Der HS-Schalter und/oder der LS-Schalter umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HS-Schalter bzw. LS-Schalter zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).A bridge circuit arrangement is preferably formed from the circuit breakers. The bridge circuit arrangement can comprise one or more bridge circuits which are formed, for example, as half bridges. Each half-bridge comprises a high-side switch (HS switch) and a low-side switch (LS switch) connected in series with the high-side switch. Each half bridge is assigned to a current phase of a multiphase alternating current (output current). The HS switch and / or the LS switch comprises one or more power semiconductor components such as IGBT, MOSFET or HEMT. The semiconductor material on which the HS switch or LS switch is based preferably comprises a so-called wide band gap semiconductor (semiconductor with a large band gap) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).

Das Leistungsmodul weist außerdem ein Isoliersubstrat zum Anbringen der Leistungsschalter auf. Das Isoliersubstrat weist eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine zwischen der ersten Metalllage und der zweiten Metalllage angeordnete Isolierlage auf. Hierbei handelt es vorzugsweise um ein Direct-Bonded-Copper(DCB)-Isoliersubstrat. Oberseitig auf der ersten Metalllage werden die Leistungsschalter angebracht. Beispielsweise werden die Leistungsschalter per Sintern. Schweißen, Löten oder mittels einer Schraubverbindung auf der ersten Metalllage befestigt.The power module also has an insulating substrate for mounting the circuit breakers. The insulating substrate has a first metal layer, a second metal layer and an insulating layer arranged between the first metal layer and the second metal layer. This is preferably a direct-bonded copper (DCB) insulating substrate. The circuit breakers are attached to the top of the first metal layer. For example, the circuit breakers are sintered. Welding, soldering or fastened by means of a screw connection on the first metal layer.

An der Oberseite der ersten Metalllage des Isoliersubstrats werden außerdem mehrere elektrische Anschlüsse angeordnet, die zum Kontaktieren der Leistungsschalter und/oder zum Einspeisen eines Eingangsstroms und/oder zum Ausgeben eines Ausgangsstroms dienen. Diese elektrischen Anschlüsse erstrecken sich in einer von der zweiten Metalllage abgewandten Richtung.A plurality of electrical connections are also arranged on the upper side of the first metal layer of the insulating substrate, which are used to contact the circuit breakers and / or to feed in an input current and / or to output an output current. These electrical connections extend in a direction facing away from the second metal layer.

Das Leistungsmodul weist ferner einen Kühlkörper auf, der zur Abfuhr von Wärme dient, die im Leistungsmodul, insbesondere in den Leistungsschaltern, bei hohen Eingangsströmen erzeugt wird. Das Leistungsmodul ist in der zweiten Metalllage, d.h. in der von den Leistungsschaltern abgewandten Metalllage, ausgeformt. Beim Herstellen des Leistungsmoduls wird die zweite Metalllage, nachdem die Leistungsschalter und die elektrischen Anschlüsse an der Oberseite der zweiten Metalllage angebracht worden sind, dahingehend verarbeitet, um eine vordefinierte Struktur zu formen. Der Kühlkörper besteht daher aus dem Metallmaterial der zweiten Metalllage. The power module also has a heat sink, which is used to dissipate heat that is generated in the power module, in particular in the circuit breakers, at high input currents. The power module is formed in the second metal layer, i.e. in the metal layer facing away from the circuit breakers. During the manufacture of the power module, after the circuit breakers and the electrical connections have been attached to the upper side of the second metal layer, the second metal layer is processed in order to form a predefined structure. The heat sink therefore consists of the metal material of the second metal layer.

Hierzu wird das Isoliersubstrat in eine Versiegelungsanlage eingebracht. Hierbei ist das Isoliersubstrat so ausgerichtet, dass die Leistungsschalter einem Boden der Versiegelungsanlage zugewandt sind. Erfindungsgemäß sind im Boden der Versiegelungsanlage mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse angeordnet. In dem Zustand, in dem das Isoliersubstrat in der Versiegelungsanlage eingebracht und die elektrischen Anschlüsse durch die Ausnehmungen aufgenommen sind, werden die Leistungsschalter mittels eines Versiegelungsmaterials, insbesondere eines Formpressmaterials im Zusammenhang mit einem Formpressverfahren oder eines Spritzpressmaterials im Zusammenhang mit einem Spritzpressverfahren, versiegelt. Das Versiegelungsmaterial wird in einen Innenraum der Versiegelungsanlage zum Beaufschlagen der Leistungsschalter eingelassen. Das Versiegelungsmaterial wird danach abgekühlt und das Isoliersubstrat wird aus der Versiegelungsanlage entfernt. In diesem Zustand wird der Kühlkörper in der zweiten Metalllage des Isoliersubstrats ausgeformt werden. Beispielsweise kann eine Pin-Fin-Struktur mit mehreren Finnen, deren Zwischenräume zum Durchströmen mit einem Kühlmittel (etwa Wasser) dienen, ausgeformt werden.For this purpose, the insulating substrate is placed in a sealing system. Here, the insulating substrate is aligned in such a way that the circuit breakers face a base of the sealing system. According to the invention, several recesses for receiving the electrical connections are arranged in the bottom of the sealing system. In the state in which the insulating substrate has been introduced into the sealing system and the electrical connections have been received by the recesses, the circuit breakers are sealed by means of a sealing material, in particular a compression molding material in connection with a compression molding process or an injection molding material in connection with an injection molding process. The sealing material is let into an interior space of the sealing system in order to pressurize the circuit breaker. The sealing material is then cooled and the insulating substrate is removed from the sealing system. In this state, the heat sink will be formed in the second metal layer of the insulating substrate. For example, a pin-fin structure can be formed with a plurality of fins, the spaces between which are used for a coolant (such as water) to flow through.

Auf diese Weise kann die Oberfläche der elektrischen Anschlüsse, die beim Versiegeln durch das Versiegelungsmittel beaufschlagt wird, verringert werden. Dies reduziert den Aufwand zum Freilegen der elektrischen Anschlüsse um diese elektrisch zu kontaktieren. Das Leistungsmodul lässt sich einfacher herstellen.In this way, the surface area of the electrical connections which is acted upon by the sealing means during sealing can be reduced. This reduces the effort involved in exposing the electrical connections in order to make electrical contact with them. The power module is easier to manufacture.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.

Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1-4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
  • 5-8 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Embodiments will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1-4 a schematic representation of a method for producing a power module according to an embodiment;
  • 5-8 a schematic representation of a method for producing a power module according to a further embodiment.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.In the figures, the same reference symbols relate to the same or functionally similar reference parts. The relevant reference parts are identified in the individual figures.

1-4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer Ausführung. In 1 ist ein Isoliersubstrat 12 mit einer ersten Metalllage 14, einer zweiten Metalllage 18 und einer dazwischen angeordneten Isolierlage 16 gezeigt. Auf einer Außenseite bzw. Unterseite des Isoliersubstrats 12 bzw. der zweiten Metalllage 18 sind mehrere Strom-/Spannungskontakte 20 und elektrische Leitungen 22 angebracht. Die Strom/-Spannungskontakte 20 dienen zum Einspeisen eines Eingangsstroms, etwa eines Gleichstroms einer Batterie, und zum Ausgeben eines mittels mehrerer ebenfalls auf der Unterseite des Isoliersubstrats 12 bzw. der zweiten Metalllage 18 angebrachter Leistungsschalter (in 1 nicht gezeigt) erzeugten Ausgangsstroms, etwa eines mehrphasigen Wechselstroms. Die elektrischen Leitungen 22 dienen zum Ansteuern der Leistungsschalter. Die hier beschriebenen Komponenten bilden ein Leistungsmodul 10, aus dem das in 4 gezeigte Leistungsmodul 100 gebildet wird. 1-4 shows a method for manufacturing a power module 100 according to one embodiment. In 1 is an insulating substrate 12th with a first metal layer 14th , a second metal layer 18 and an insulating layer arranged therebetween 16 shown. On an outside or underside of the insulating substrate 12th or the second metal layer 18 are several current / voltage contacts 20th and electrical wiring 22nd appropriate. The current / voltage contacts 20th serve to feed in an input current, for example a direct current from a battery, and to output one by means of several likewise on the underside of the insulating substrate 12th or the second metal layer 18 attached circuit breaker (in 1 not shown) generated output current, such as a polyphase alternating current. The electrical lines 22nd are used to control the circuit breakers. The components described here form a power module 10 from which the in 4th Power module shown 100 is formed.

Außerdem ist in 1 eine Versiegelungsanlage 26 gezeigt, welche zum Versiegeln des Isoliersubstrats 12, insbesondere der auf dessen Unterseite angebrachten Komponenten, dient. In einem Boden der Versiegelungsanlage 26 sind mehrere erste Ausnehmungen 24 zur Aufnahme der elektrischen Leitungen 22 sowie mehrere zweite Ausnehmungen 28 zur Aufnahme der Strom-/Spannungskontakte 20 ausgebildet. Wie der Pfeil in 1 andeutet, wird das Isoliersubstrat 12 zusammen mit den auf dessen Unterseite angebrachten Komponenten in die Versiegelungsanlage 26 eingeführt, wobei die Unterseite des Isoliersubstrats 12 dem Boden der Versiegelungsanlage 26 zugewandt ist.In addition, in 1 a sealing system 26th shown which for sealing the insulating substrate 12th , in particular the components attached to its underside. In a floor of the sealing plant 26th are several first recesses 24 to accommodate the electrical cables 22nd as well as several second recesses 28 to accommodate the current / voltage contacts 20th educated. Like the arrow in 1 indicates the insulating substrate 12th together with the components attached to its underside in the sealing system 26th inserted, the bottom of the insulating substrate 12th the bottom of the sealing plant 26th is facing.

2 zeigt den Zustand, in dem das Isoliersubstrat 12 und die auf dessen Unterseite angebrachten Komponenten in die Versiegelungsanlage 26 eingeführt ist, wobei die Strom-/Spannungskontakte 20 und die elektrischen Leitungen 22 durch die ersten bzw. zweiten Ausnehmungen 24, 28 formschlüssig aufgenommen sind. Ein Versiegelungsmaterial 29 wird bei einer hinreichend hohen Temperatur in flüssigem Zustand in die Versiegelungsanlage 26 hineingespritzt und befüllt den Innenraum der Versiegelungsanlage 26. Das hineingespritzte Versiegelungsmaterial 29 beaufschlagt hierbei die Unterseite des Isoliersubstrats 12 sowie die Bereiche der Strom-/Spannungskontakte 20 und der elektrischen Leitungen 22, die nicht durch die ersten bzw. zweiten Ausnehmungen 24, 28 formschlüssig umgeben sind. 2 shows the state in which the insulating substrate 12th and the components attached to its underside in the sealing system 26th is introduced, the current / voltage contacts 20th and the electrical wiring 22nd through the first and second recesses 24 , 28 are positively received. A sealing material 29 becomes at a sufficiently high Temperature in the liquid state in the sealing system 26th injected and fills the interior of the sealing system 26th . The injected sealing material 29 acts on the underside of the insulating substrate 12th as well as the areas of the current / voltage contacts 20th and the electrical lines 22nd that are not through the first or second recesses 24 , 28 are positively surrounded.

Nach einer Abkühlungsphase, in der sich das Versiegelungsmaterial 29 verfestigt, wird das versiegelte Isoliersubstrat 12 aus der Versiegelungsanlage 26 herausgenommen. Das Isoliersubstrat 12 in diesem Zustand ist in 3 schematisch gezeigt.After a cooling phase in which the sealing material 29 solidified, the sealed insulating substrate becomes 12th from the sealing system 26th taken out. The insulating substrate 12th in this state is in 3 shown schematically.

Anschließend wird eine Leiterplatte 130, die mit mehreren elektrischen Kontakten 132, 136 zum Kontaktieren der Strom-/Spannungskontakte 20 und der elektrischen Leitungen 22 versehen ist, auf das Isoliersubstrat 12 aufgebracht, wobei die Unterseite des Isoliersubstrats 12 der Leiterplatte 130 zugewandt ist. Außerdem sind mehrere weitere Komponenten 138 wie Zwischenkreiskondensator, Dämpferkondensatoren an der Leiterplatte 130 angeordnet. Zwei Öffnungen zum Führen jeweils einer Schraube 134 sind in der Leiterplatte 130 ausgebildet, sodass die Schrauben 134 jeweils in ein Gewinde, welches im Strom-/Spannungskontakt 20 angeordnet ist, zum Befestigen der Leiterplatte 130 am versiegelten Isoliersubstrat 12 hineingeführt werden kann.Then a circuit board is made 130 that have multiple electrical contacts 132 , 136 for contacting the current / voltage contacts 20th and the electrical lines 22nd is provided on the insulating substrate 12th applied, the underside of the insulating substrate 12th the circuit board 130 is facing. In addition, there are several other components 138 such as intermediate circuit capacitor, damper capacitors on the circuit board 130 arranged. Two openings for inserting a screw each 134 are in the circuit board 130 formed so that the screws 134 each in a thread, which is in the current / voltage contact 20th is arranged for fastening the circuit board 130 on the sealed insulating substrate 12th can be introduced.

Auf diese Weise kann vermieden werden, dass beim Versiegeln des Isoliersubstrats 12 die elektrischen Leitungen 22 und die Strom-/Spannungskontakte 20 unterseitig (in der Darstellung in 2) vom Versiegelungsmaterial 29 beaufschlagt werden. Eine Schicht aus Versiegelungsmaterial, welche sich bei einer minimalen Beaufschlagung bildet, kann im in 3 gezeigten Zustand des Isoliersubstrats 12 mit deutlich reduziertem Aufwand entfernt werden, um die elektrischen Leitungen 22 und die Strom-/Spannungskontakte 20 unterseitig zwecks Kontaktierung freizulegen.In this way it can be avoided that when sealing the insulating substrate 12th the electrical lines 22nd and the current / voltage contacts 20th underside (in the illustration in 2 ) from the sealing material 29 be applied. A layer of sealing material, which forms with minimal impact, can be used in the in 3 shown state of the insulating substrate 12th can be removed with significantly reduced effort to the electrical lines 22nd and the current / voltage contacts 20th to expose the underside for the purpose of contacting.

5-8 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls 200 gemäß einer weiteren Ausführung. Bei dieser Ausführung sind die Herstellungsschritte analog zu denen gemäß der in 1-4 gezeigten Ausführungsform. In 5 ist ein Isoliersubstrat 52 mit einer ersten Metalllage 54, einer zweiten Metalllage 58 und einer dazwischen angeordneten Isolierlage 56 gezeigt. Auf einer Außenseite bzw. Unterseite des Isoliersubstrats 52 bzw. der zweiten Metalllage 58 sind mehrere Strom-/Spannungskontakte 60 und elektrische Leitungen 62 angebracht. Zusätzlich sind die Strom-/Spannungskontakte 60 und die elektrischen Leitungen 62 unterseitig mit einer Schutzschicht 61 versehen. Die hier beschriebenen Komponenten bilden ein Leistungsmodul 50, aus dem das in 8 gezeigte Leistungsmodul 200 gebildet wird. 5-8 shows a method for manufacturing a power module 200 according to a further embodiment. In this embodiment, the manufacturing steps are analogous to those according to FIG 1-4 embodiment shown. In 5 is an insulating substrate 52 with a first metal layer 54 , a second metal layer 58 and an insulating layer arranged therebetween 56 shown. On an outside or underside of the insulating substrate 52 or the second metal layer 58 are several current / voltage contacts 60 and electrical wiring 62 appropriate. In addition, there are the current / voltage contacts 60 and the electrical wiring 62 with a protective layer on the underside 61 Mistake. The components described here form a power module 50 from which the in 8th Power module shown 200 is formed.

Außerdem ist in 5 eine Versiegelungsanlage 66 gezeigt, In einem Boden der Versiegelungsanlage 66 sind mehrere erste Ausnehmungen 64 zur Aufnahme der elektrischen Leitungen 62 sowie mehrere zweite Ausnehmungen 68 zur Aufnahme der Strom-/Spannungskontakte 60 ausgebildet. Wie der Pfeil in 5 andeutet, wird das Isoliersubstrat 52 zusammen mit den auf dessen Unterseite angebrachten Komponenten in die Versiegelungsanlage 66 eingeführt, wobei die Unterseite des Isoliersubstrats 52 dem Boden der Versiegelungsanlage 66 zugewandt ist.In addition, in 5 a sealing system 66 shown in a bottom of the sealing plant 66 are several first recesses 64 to accommodate the electrical cables 62 as well as several second recesses 68 to accommodate the current / voltage contacts 60 educated. Like the arrow in 5 indicates the insulating substrate 52 together with the components attached to its underside in the sealing system 66 inserted, the bottom of the insulating substrate 52 the bottom of the sealing plant 66 is facing.

6 zeigt den Zustand, in dem das Isoliersubstrat 52 und die auf dessen Unterseite angebrachten Komponenten in die Versiegelungsanlage 66 eingeführt ist, wobei die Strom-/Spannungskontakte 60 und die elektrischen Leitungen 62 zusammen mit der Schutzschicht 61 durch die ersten bzw. zweiten Ausnehmungen 64, 68 formschlüssig aufgenommen sind. Ein Versiegelungsmaterial 69 wird bei einer hinreichend hohen Temperatur in flüssigem Zustand in die Versiegelungsanlage 66 hineingespritzt und befüllt den Innenraum der Versiegelungsanlage 66. Das hineingespritzte Versiegelungsmaterial 69 beaufschlagt hierbei die Unterseite des Isoliersubstrats 52 sowie die Bereiche der Strom-/Spannungskontakte 60 und der elektrischen Leitungen 62, die nicht durch die ersten bzw. zweiten Ausnehmungen 64, 68 formschlüssig umgeben sind. 6th shows the state in which the insulating substrate 52 and the components attached to its underside in the sealing system 66 is introduced, the current / voltage contacts 60 and the electrical wiring 62 along with the protective layer 61 through the first and second recesses 64 , 68 are positively received. A sealing material 69 is in a liquid state at a sufficiently high temperature in the sealing system 66 injected and fills the interior of the sealing system 66 . The injected sealing material 69 acts on the underside of the insulating substrate 52 as well as the areas of the current / voltage contacts 60 and the electrical lines 62 that are not through the first or second recesses 64 , 68 are positively surrounded.

Nach einer Abkühlungsphase, in der sich das Versiegelungsmaterial 69 verfestigt, wird das versiegelte Isoliersubstrat 52 aus der Versiegelungsanlage 66 herausgenommen. Das Isoliersubstrat 52 in diesem Zustand ist in 7 schematisch gezeigt. After a cooling phase in which the sealing material 69 solidified, the sealed insulating substrate becomes 52 from the sealing system 66 taken out. The insulating substrate 52 in this state is in 7th shown schematically.

Anschließend wird die Schutzschicht 61 von den Strom-/Spannungskontakten 60 sowie den elektrischen Leitungen 62 entfernt. Eine Leiterplatte 230, die mit mehreren elektrischen Kontakten 232, 236 zum Kontaktieren der Strom-/Spannungskontakte 60 und der elektrischen Leitungen 62 versehen ist, wird dann auf das Isoliersubstrat 52 aufgebracht, wobei die Unterseite des Isoliersubstrats 52 der Leiterplatte 230 zugewandt ist. Außerdem sind mehrere weitere Komponenten 238 wie Zwischenkreiskondensator, Dämpferkondensatoren an der Leiterplatte 230 angeordnet. Zwei Öffnungen zum Führen jeweils einer Schraube 234 sind in der Leiterplatte 230 ausgebildet, sodass die Schrauben 234 jeweils in ein Gewinde, welches im Strom-/Spannungskontakt 60 angeordnet ist, zum Befestigen der Leiterplatte 230 am versiegelten Isoliersubstrat 52 hineingeführt werden kann. Alternativ zur Schraubverbindung kann die Leiterplatte 130, 230 mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens mit dem Isoliersubstrat 12, 52 verbunden werden.Then the protective layer 61 from the current / voltage contacts 60 as well as the electrical lines 62 removed. A circuit board 230 that have multiple electrical contacts 232 , 236 for contacting the current / voltage contacts 60 and the electrical lines 62 is then provided on the insulating substrate 52 applied, the underside of the insulating substrate 52 the circuit board 230 is facing. In addition, there are several other components 238 such as intermediate circuit capacitor, damper capacitors on the circuit board 230 arranged. Two openings for inserting a screw each 234 are in the circuit board 230 formed so that the screws 234 each in a thread, which is in the current / voltage contact 60 is arranged for fastening the circuit board 230 on the sealed insulating substrate 52 can be introduced. As an alternative to the screw connection, the circuit board 130 , 230 using an ultrasonic welding process with the insulating substrate 12th , 52 get connected.

Auf diese Weise kann eine unterseitige Beaufschlagung der Strom-/Spannungskontakte 60 und der elektrischen Leitungen 62 durch das Versiegelungsmaterial 69 beim Versiegeln des Isoliersubstrats 52 besonders wirksam verhindert werden. Die Kontaktierung der Strom-/Spannungskontakte 60 und der elektrischen Leitungen 62 erfolgt daher besonders einfach und zuverlässig.In this way, it is possible for the current / voltage contacts to act on the underside 60 and the electrical lines 62 through the sealing material 69 when sealing the insulating substrate 52 can be prevented particularly effectively. The contacting of the current / voltage contacts 60 and the electrical lines 62 is therefore particularly simple and reliable.

Die erste Metalllage 14, 54 kann weiter verarbeitet werden, um einen Kühlkörper zu bilden. Beispielsweise kann eine Pin-Fin-Struktur in der ersten Metalllage 14, 54 ausgeformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Metalllage 14, 54 auf einen existierenden Kühlkörper, etwa die vom Kühlmedium abgewandten Rückseite einer Pin-Fin-Struktur, angebracht werden.The first layer of metal 14th , 54 can be further processed to form a heat sink. For example, a pin-fin structure can be in the first metal layer 14th , 54 be shaped. Alternatively or additionally, the first metal layer 14th , 54 on an existing heat sink, such as the back of a pin-fin structure facing away from the cooling medium.

Das Versiegelungsmaterial 29, 69 kann einen stromisolierenden Schmierstoff bzw. Gummi aufweisen. Die Schutzschicht 61 wird aus einem anderen stromisolierenden Material als das Versiegelungsmaterial 29, 69 gebildet. Insbesondere kann die Schutzschicht 61 aus einem Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise ist die Schmelztemperatur der Schutzschicht 61 höher als die Schmelztemperatur des Versiegelungsmaterial 29, 69. Beispielsweise kann die Schutzschicht 61 aus einem Silikonmaterial gebildet werden.The sealing material 29 , 69 can have a current-insulating lubricant or rubber. The protective layer 61 is made of a different current-insulating material than the sealing material 29 , 69 educated. In particular, the protective layer 61 be formed from a plastic. Preferably the melting temperature of the protective layer is 61 higher than the melting temperature of the sealing material 29 , 69 . For example, the protective layer 61 be formed from a silicone material.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

10, 50, 100, 20010, 50, 100, 200
LeistungsmodulPower module
12, 5212, 52
IsoliersubstratInsulating substrate
14, 5414, 54
erste Metalllagefirst metal layer
16, 5616, 56
IsolierlageInsulating layer
19, 5819, 58
zweite Metalllagesecond metal layer
20,6020.60
Strom-/SpannungskontaktCurrent / voltage contact
6161
SchutzschichtProtective layer
22, 6222, 62
elektrische Leitungelectrical line
24, 6424, 64
erste Ausnehmungfirst recess
26, 6626, 66
VersiegelungsanlageSealing system
28, 6828, 68
zweite Ausnehmungsecond recess
29, 6929, 69
VersiegelungsmaterialSealing material
130, 230130, 230
LeiterplatteCircuit board
132, 232, 136, 236132, 232, 136, 236
elektrische Kontakteelectrical contacts
134, 234134, 234
Schraubescrew

Claims (6)

Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (100, 200), umfassend: - Anbringen mehrerer Leistungsschalter auf einem Isoliersubstrat (12, 52), wobei das Isoliersubstrat (12, 52) eine erste Metalllage (14, 54), eine zweite Metalllage (18, 58) und eine zwischen der ersten Metalllage (14, 54) und der zweiten Metalllage (18, 58) angeordnete Isolierlage (16, 56) umfasst, wobei die mehreren Leistungsschalter auf einer Außenseite der zweiten Metalllage (18, 58) angebracht werden; - Anbringen mehrerer elektrischer Anschlüsse (20, 22, 60, 62) an der Außenseite der zweiten Metalllage (18, 58) des Isoliersubstrats (12, 52) zum Kontaktieren der Leistungsschalter und/oder zum Einspeisen eines Eingangsstroms und/oder zum Ausgeben eines Ausgangsstroms, wobei sich die elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) in einer von der ersten Metalllage (14, 54) abgewandten Richtung erstrecken; - Einbringen des Isoliersubstrats (12, 52) in eine Versiegelungsanlage (26, 66), wobei die Leistungsschalter einem Boden der Versiegelungsanlage (26, 66) zugewandt sind, wobei im Boden der Versiegelungsanlage (26, 66) mehrere Ausnehmungen (24, 28, 64, 68) zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) angeordnet sind; - Versiegeln der Leistungsschalter mittels eines Versiegelungsmaterials (29, 69).A method of manufacturing a power module (100, 200) comprising: - Mounting a plurality of circuit breakers on an insulating substrate (12, 52), the insulating substrate (12, 52) having a first metal layer (14, 54), a second metal layer (18, 58) and one between the first metal layer (14, 54) and the second metal layer (18, 58) arranged insulating layer (16, 56), wherein the plurality of circuit breakers are mounted on an outside of the second metal layer (18, 58); - Attaching several electrical connections (20, 22, 60, 62) on the outside of the second metal layer (18, 58) of the insulating substrate (12, 52) for contacting the circuit breakers and / or for feeding in an input current and / or for outputting an output current wherein the electrical connections (20, 22, 60, 62) extend in a direction facing away from the first metal layer (14, 54); - Introducing the insulating substrate (12, 52) into a sealing system (26, 66), the circuit breakers facing a base of the sealing system (26, 66), with a plurality of recesses (24, 28,) in the base of the sealing system (26, 66) 64, 68) are arranged for receiving the electrical connections (20, 22, 60, 62); - Sealing of the circuit breakers by means of a sealing material (29, 69). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmungen (24, 28, 64, 68) derart ausgebildet sind, dass die Aufnahme der elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) formschlüssig ist.Procedure according to Claim 1 , the recesses (24, 28, 64, 68) being designed in such a way that the receptacle for the electrical connections (20, 22, 60, 62) is form-fitting. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Schutzschicht (61) zwischen einer Stirnseite der elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) und dem Boden der Versiegelungsanlage (26, 66) angeordnet ist, wenn die elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) in den Ausnehmungen (26, 66) aufgenommen sind.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein a protective layer (61) is arranged between an end face of the electrical connections (20, 22, 60, 62) and the bottom of the sealing system (26, 66) when the electrical connections (20, 22, 60, 62) are in the Recesses (26, 66) are added. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schutzschicht (61) eine Kleberschicht ist, die vor dem Einbringen des Isoliersubstrats in die Versiegelungsanlage (26, 66) auf die Stirnseite der elektrischen Anschlüsse (20, 22, 60, 62) aufgebracht wird.Procedure according to Claim 3 wherein the protective layer (61) is an adhesive layer which is applied to the end face of the electrical connections (20, 22, 60, 62) before the insulating substrate is introduced into the sealing system (26, 66). Verfahren nach Anspruch 4, weiter umfassend Entfernen der Schutzschicht (61), nachdem das Isoliersubstrat nach dem Versiegeln der Leistungsschalter aus der Versiegelungsanlage (26, 66) entfernt worden ist.Procedure according to Claim 4 , further comprising removing the protective layer (61) after the insulating substrate has been removed from the sealing system (26, 66) after the circuit breakers have been sealed. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei in den elektrischen Anschlüssen (20, 22, 60, 62) zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Ausgeben des Ausgangsstroms jeweils ein Schraubgewinde zur Aufnahme einer Schraube (134, 234) angeordnet ist, weiter umfassend Verbinden einer Leiterplatte (130, 230) mit den elektrischen Anschlüssen (20, 22, 60, 62) mittels der jeweiligen Schraube (134, 234).Method according to one of the Claims 2 until 5 wherein a screw thread for receiving a screw (134, 234) is arranged in each of the electrical connections (20, 22, 60, 62) for feeding in the input current and / or for outputting the output current, further comprising connecting a printed circuit board (130, 230 ) with the electrical connections (20, 22, 60, 62) by means of the respective screw (134, 234).
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