DE102020207703A1 - Power module for operating an electric drive for a vehicle and method for producing such a power module - Google Patents
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Abstract
Leistungsmodul (100) zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug, umfassend ein mehrlagiges Schaltungsträgersubstrat mit einer ersten Substratlage (112) und einer zweiten Substratlage (114), die von der ersten Substratlage (112) in einer vertikalen Richtung beabstandet ist; eine erste Metallisierungsschicht (116), die auf einer von der zweiten Substratlage (114) abgewandten Seite der ersten Substratlage (112) angeordnet ist, wobei an der ersten Metallisierungsschicht (116) mehrere Leistungsschalter (134, 136, 138, 140) und Elektroden (142, 144, 146, 148, 150, 152) zur Ansteuerung der Leistungsschalter (134, 136, 138, 140) angebunden sind; eine zweite Metallisierungsschicht (118), die auf einer von der ersten Substratlage (112) abgewandten Seite der zweiten Substratlage (114) angeordnet ist; und eine dritte Metallisierungsschicht (120), die zwischen der ersten und der zweiten Substratlage (116, 118) angeordnet ist.Power module (100) for operating an electric drive for a vehicle, comprising a multi-layer circuit carrier substrate with a first substrate layer (112) and a second substrate layer (114) which is spaced from the first substrate layer (112) in a vertical direction; a first metallization layer (116) which is arranged on a side of the first substrate layer (112) remote from the second substrate layer (114), a plurality of power switches (134, 136, 138, 140) and electrodes ( 142, 144, 146, 148, 150, 152) for controlling the circuit breakers (134, 136, 138, 140); a second metallization layer (118) which is arranged on a side of the second substrate layer (114) remote from the first substrate layer (112); and a third metallization layer (120) disposed between the first and second substrate layers (116, 118).
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 zunehmende 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 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 MOSFETs and HEMTs.
Üblicherweise sind solche Leistungshalbleiter aus einem keramischen Trägersubstrat gefertigt, welches auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Metallisierungsebene aufweist. Das keramische Substrat dient als elektrische Isolationsschicht zwischen den beiden Metallisierungsebenen.Typically, such power semiconductors are made from a ceramic carrier substrate which has a metallization plane on the top and bottom. The ceramic substrate serves as an electrical insulation layer between the two metallization levels.
Eine Metallisierungsebene dient als Elektrodensebene, die zweite üblicherweise als Kontaktfläche für eine Bodenplattenanbindung, eine Kühlkörperanbindung oder Ähnliches.One metallization level serves as an electrode level, the second usually as a contact surface for a base plate connection, a heat sink connection or the like.
Die eindimensionale Elektrodensebene hat jedoch den Nachteil, dass für verschiedene Ströme keine Überlappung der Elektrodensebene möglich ist. Dies hat eine hohe Streuinduktivität zur Folge. Ein weiterer Nachteil ist, dass im Fall eines Wechselrichters die Stromführung für positive und negative DC-Ströme nebeneinander erfolgen muss, was eine Hochdimensionierung des Trägersubstrats erforderlich macht. However, the one-dimensional electrode plane has the disadvantage that the electrode plane cannot overlap for different currents. This results in a high leakage inductance. Another disadvantage is that, in the case of an inverter, the current conduction for positive and negative DC currents must take place next to one another, which makes it necessary to dimension the carrier substrate.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.The invention is therefore based on the object of providing a power module in which the disadvantages described above are at least partially overcome.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul und die Verwendung eines solchen Leistungsmoduls in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a power module and the use of such a power module 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 dient vorzugsweise dazu, 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 preferably 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.
Der Wechselrichter weist im Allgemeinen ein oder mehrere Leistungsmodule, einen Zwischenkreiskondensator und einen Kühler auf. Ein eingangsseitiger Anschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten Eingangsstroms und ein ausgangsseitiger Anschluss zum Auskoppeln eines basierend auf dem Eingangsstrom erzeugten Ausgangsstroms können ebenfalls im Wechselrichter angeordnet sein. Bezogen auf den Eingangsstrom kann das Leistungsmodul bzw. können die Leistungsmodule sowie der Zwischenkreiskondensator parallel zueinander geschaltet sein.The inverter generally has one or more power modules, an intermediate circuit capacitor and a cooler. An input-side connection for coupling in an input current generated by means of an energy source and an output connection for coupling out an output current generated based on the input current can also be arranged in the inverter. In relation to the input current, the power module or the power modules and the intermediate circuit capacitor can be connected in parallel to one another.
Das jeweilige Leistungsmodul basiert auf Leistungshalbleitern, aus denen vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung gebildet ist. 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.The respective power module is based on power semiconductors, from which a bridge circuit arrangement is preferably formed. 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).
Der HSS und/oder der LSS umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HSS bzw. LSS zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).The HSS and / or the LSS comprises one or more power semiconductor components such as IGBT, MOSFET or HEMT. The semiconductor material on which the HSS or LSS is based preferably comprises a so-called wide-bandgap semiconductor (semiconductor with a large band gap) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
Erfindungsgemäß wird im Leistungsmodul ein mehrlagiges Schaltungsträgersubstrat verwendet, welches zwei in der vertikalen Richtung voneinander beabstandete Substratlagen umfasst. Das Leistungsmodul umfasst ferner drei Metallisierungsschichten. Eine erste Metallisierungsschicht ist an einer ersten äußeren Seite (bspw. Oberseite) des Leistungsmoduls angeordnet. Eine zweite Metallisierungsschicht ist an einer zweiten äußeren Seite (bspw. Unterseite) des Leistungsmoduls angeordnet. Eine dritte (mittlere) Metallisierungsschicht ist zwischen der ersten und zweiten Metallisierungsschicht angeordnet, derart, dass eine erste Substratlage zwischen der ersten und dritten Metallisierungsschicht angeordnet ist, wobei eine zweite Substratlage zwischen der zweiten und dritten Metallisierungsschicht angeordnet ist. An der ersten (oberseitigen) Metallisierungsschicht sind eine Mehrzahl von Leistungsschaltern und eine Elektroden zur Ansteuerung der Leistungsschalter angebunden. Die erste Metallisierungsschicht bildet daher eine direktkontaktierte Metallisierungsschicht des Leistungsmoduls. An der zweiten (unterseitigen) Metallisierungsschicht kann eine Bodenplatte und/oder ein Kühlkörper angebunden sein.According to the invention, a multilayer circuit carrier substrate is used in the power module, which comprises two substrate layers spaced apart from one another in the vertical direction. The power module further comprises three metallization layers. A first metallization layer is arranged on a first outer side (for example top side) of the power module. A second metallization layer is arranged on a second outer side (for example underside) of the power module. A third (middle) metallization layer is arranged between the first and second metallization layers such that a first substrate layer is arranged between the first and third metallization layers, a second substrate layer being arranged between the second and third metallization layers. At the first (top) A plurality of power switches and an electrode for controlling the power switch are connected to the metallization layer. The first metallization layer therefore forms a directly contacted metallization layer of the power module. A base plate and / or a heat sink can be connected to the second (underside) metallization layer.
Die Substratlagen sind vorzugsweise aus Keramik gebildet. Die Metallisierungsschichten sind vorzugsweise aus Kupfer gebildet. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Leistungsmodul.The substrate layers are preferably formed from ceramic. The metallization layers are preferably formed from copper. This enables an inexpensive power module.
Mittels eines mehrlagigen Schaltungsträgersubstrats ist es möglich einen Strompfad in eine tiefere Ebene, nämlich in die dritte Metallisierungsschicht, zu verlagern. Bei gleichbleibender Stromdichte kann daher der Querschnitt des Leistungsmoduls reduziert werden. Dadurch lassen sich kompaktere Leistungsmodule realisieren. Damit einhergehend lässt sich ein bauraumoptimierter Antriebswechselrichter bereitstellen. By means of a multilayer circuit carrier substrate, it is possible to relocate a current path into a lower level, namely into the third metallization layer. With the same current density, the cross section of the power module can therefore be reduced. This enables more compact power modules to be implemented. As a result, a space-optimized drive inverter can be provided.
Des Weiteren dient die mittlere Stromebene (mittlere Metallisierungsschicht) zusätzlich als Wärmespreizungs- und Wärmekapazität. Der thermische Widerstand des Leistungshalbleitermoduls wird dadurch verringert. Zusätzlich kann mit Hilfe der mittleren Metallisierungsschicht die EMV-Dämpfungseigenschaften des Leistungsmoduls verbessert werden.Furthermore, the middle current level (middle metallization layer) also serves as a heat spreading and heat capacity. This reduces the thermal resistance of the power semiconductor module. In addition, the EMC damping properties of the power module can be improved with the help of the middle metallization layer.
Ferner ist dadurch, dass die direktkontaktierte Metallisierungsschicht nicht die mittlere, sondern die oberseitige Metallisierungsschicht ist, die Direktkontaktierung des Leistungsmoduls besonders einfach und mit reduziertem Aufwand möglich.Furthermore, because the directly contacted metallization layer is not the middle but rather the top metallization layer, the direct contacting of the power module is particularly simple and possible with reduced effort.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.
Gemäß einer Ausführungsform sind in der ersten Metallisierungsschicht ein Stromeingang und/oder ein Stromausgang ausgebildet.According to one embodiment, a current input and / or a current output are formed in the first metallization layer.
Bei einem Wechselrichter dient der Stromeingang dazu, einen Eingangsstrom, der ein durch eine DC-Spannung einer Energiequelle, etwa Batterie, erzeugter Gleichstrom (DC-Strom) ist, einzuspeisen. Mit Hilfe der Leistungshalbleiter bzw. einer diese umfassenden Brückenschaltung wird der Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Am Stromausgang kann der Wechselstrom abgegriffen werden.In the case of an inverter, the current input is used to feed in an input current that is a direct current (DC current) generated by a DC voltage from an energy source, such as a battery. With the help of the power semiconductors or a bridge circuit comprising them, the direct current is converted into a multiphase alternating current. The alternating current can be tapped at the current output.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stromeingang zumindest einen positiven Kontakt und zumindest einen negativen Kontakt auf, der vom zumindest einen positiven Kontakt horizontal beabstandet ist.According to a further embodiment, the current input has at least one positive contact and at least one negative contact, which is horizontally spaced from the at least one positive contact.
Die positiven Kontakte dienen zum Anschließen eines positiven Pols des Stromeingangs. Die negativen Kontakte dienen zum Anschließen eines negativen Pols des Stromeingangs. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Kontaktierung des Leistungsmoduls.The positive contacts are used to connect a positive pole of the current input. The negative contacts are used to connect a negative pole of the current input. This enables the power module to be contacted in a simple manner.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein erster positiver Kontakt, der dem Stromausgang zugewandt ist, von einem zweiten positiven Kontakt entlang einer Längsrichtung beabstandet.According to a further embodiment, a first positive contact, which faces the current output, is spaced apart from a second positive contact along a longitudinal direction.
Vorzugsweise sind in einem ersten Durchkontaktierungsbereich der ersten Substratlage unterhalb des ersten positiven Kontakts mehrere vertikale Durchgangsöffnungen ausgebildet. Die vertikalen Durchgangsöffnungen sind dadurch ausgebildet, dass die erste Substratlage im ersten Durchkontaktierungsbereich mehrere voneinander horizontal beabstandete Abschnitte aufweist.A plurality of vertical through openings are preferably formed in a first via region of the first substrate layer below the first positive contact. The vertical through-openings are formed in that the first substrate layer in the first via region has a plurality of sections that are horizontally spaced from one another.
Vorzugsweise ist eine dritte Metallisierungsschicht zwischen der ersten und zweiten Substratlage vorhanden, die mit dem ersten positiven Kontakt über in den vertikalen Durchgangsöffnungen befindliche Metallisierungsabschnitte verbunden. Auf diese Weise ist eine Durchkontaktierung des ersten positiven Kontakts ermöglicht. Die mehreren vertikalen Durchgangsöffnungen können unterschiedliche Breiten aufweisen.A third metallization layer is preferably present between the first and second substrate layers, which is connected to the first positive contact via metallization sections located in the vertical through openings. This enables the first positive contact to be plated through. The plurality of vertical through openings can have different widths.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform in einem zweiten Durchkontaktierungsbereich der ersten Substratlage unterhalb des zweiten positiven Kontakts mehrere vertikale Durchgangsöffnungen ausgebildet sind.According to a further embodiment, a plurality of vertical through openings are formed in a second via region of the first substrate layer below the second positive contact.
Auf diese Weise ist analog zum ersten Durchkontaktierungsbereich eine Durchkontaktierung des zweiten positiven Kontakts ermöglicht.In this way, a through-hole connection of the second positive contact is made possible analogously to the first plated-through hole region.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein erster Leistungsschalter auf dem ersten positiven Kontakt angeordnet.According to a further embodiment, at least one first power switch is arranged on the first positive contact.
Der erste Leistungsschalter ist vorzugsweise ein Highside-Schalter (HS-Schalter) einer Halbbrücke, die zusätzlich einen Lowside-Schalter (LS-Schalter) umfasst. Eine solche Halbbrücke bzw. Leistungsschalterpaar ist vorzugsweise einer Stromphase des am ausgangsseitig zu generierenden mehrphasigen Wechselstroms zugeordnet. Dies ermöglicht eine platzsparende Bauform des Leistungsmoduls.The first power switch is preferably a high-side switch (HS switch) of a half-bridge, which also includes a low-side switch (LS switch). Such a half bridge or circuit breaker pair is preferably assigned to a current phase of the polyphase alternating current to be generated on the output side. This enables a space-saving design of the power module.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stromausgang auf einer vom zumindest einen negativen Kontakt abgewandten Seite des ersten positiven Kontakts einen ersten Ausgangskontakt auf, wobei der Stromausgang ferner zwischen dem ersten positiven Kontakt und dem zweiten positiven Kontakt einen zweiten Ausgangskontakt aufweist..According to a further embodiment, the current output has one of the at least a negative contact facing away from the first positive contact side on a first output contact, wherein the current output also has a second output contact between the first positive contact and the second positive contact ..
Der erste Ausgangskontakt leitet den stromeingangsseitig eingespeisten Strom (DC-Strom) in einen Verbraucher, etwa eine E-Maschine, nachdem der Eingangsstrom durch einen auf dem ersten positiven Kontakt angeordneten ersten Leistungsschalter (HS-Schalter) geflossen ist. Der zweite Ausgangskontakt dient zur Rückführung des eingespeisten Stroms, nachdem dieser durch den Verbraucher geflossen ist. Auf dem zweiten Ausgangskontakt können mehrere zweite Leistungsschalter (etwa LS-Schalter) angeordnet sein, in den der rückgeführte Strom fließen kann. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der zweiten Leistungsschalter der Anzahl der auf dem ersten positiven Kontakt untergebrachten ersten Leistungsschalter (etwa HS-Schalter). Auf diese Weise ist ein bauraumoptimiertes Leistungsmodul zum Generieren eines mehrphasigen Wechselstroms bereitgestellt.The first output contact conducts the current (DC current) fed in on the current input side into a consumer, such as an electric machine, after the input current has flowed through a first power switch (HV switch) arranged on the first positive contact. The second output contact is used to return the fed-in current after it has flowed through the consumer. A plurality of second power switches (such as LS switches) into which the returned current can flow can be arranged on the second output contact. The number of second circuit breakers preferably corresponds to the number of first circuit breakers accommodated on the first positive contact (for example HV switches). In this way, a space-optimized power module for generating a polyphase alternating current is provided.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind entlang einer Querrichtung mehrere negative Kontakte angeordnet.According to a further embodiment, a plurality of negative contacts are arranged along a transverse direction.
Vorzugsweise entspricht die Anzahl der negativen Kontakte der Anzahl der Leistungsschalterpaare. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite positive Kontakt zwischen zwei negativen Kontakten angeordnet. Auf diese Weise ist eine bauraumsparende Kontaktierung der Halbbrücken ermöglicht.The number of negative contacts preferably corresponds to the number of circuit breaker pairs. Alternatively or additionally, the second positive contact is arranged between two negative contacts. In this way, space-saving contacting of the half bridges is made possible.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus für ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform; -
2 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführung in einer Draufsicht; -
3 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus2 in einer ersten Schnittansicht; und -
4 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus2 in einer zweiten Schnittansicht.
-
1 a schematic representation of a layer structure for a power module according to an embodiment; -
2 a schematic representation of a power module according to a further embodiment in a plan view; -
3 a schematic representation of the power module2 in a first sectional view; and -
4th a schematic representation of the power module2 in a second sectional view.
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.
Die erste und zweite Substratlage
Fig, 2 zeigt das Leistungsmodul
Die Leistungsschalter umfassen zwei erste Leistungsschalter
Die beiden Highside-Schalter
Wenn beispielsweise der HS-Schalter
Wenn beispielsweise der andere HS-Schalter
Des Weiteren dient die mittlere Stromebene (mittlere Metallisierungsschicht
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- SchichtaufbauLayer structure
- 1212th
- erste Substratlagefirst substrate layer
- 1414th
- zweite Substratlagesecond substrate layer
- 1616
- erste Metallisierungsschichtfirst metallization layer
- 1818th
- zweite Metallisierungsschichtsecond metallization layer
- 2020th
- dritte Metallisierungsschichtthird metallization layer
- 100100
- LeistungsmodulPower module
- 112112
- erste Substratlagefirst substrate layer
- 113, 115113, 115
- DurchkontaktierungsbereichVia area
- 114114
- zweite Substratlagesecond substrate layer
- 116116
- erste Metallisierungsschichtfirst metallization layer
- 118118
- zweite Metallisierungsschichtsecond metallization layer
- 120120
- dritte Metallisierungsschichtthird metallization layer
- 122122
- erster positiver Kontaktfirst positive contact
- 124124
- zweiter positiver Kontaktsecond positive contact
- 126126
- erster Ausgangskontaktfirst output contact
- 128128
- zweiter Ausgangskontaktsecond output contact
- 130130
- erster negativer Kontaktfirst negative contact
- 132132
- zweiter negativer Kontaktsecond negative contact
- 134, 136, 138, 140134, 136, 138, 140
- LeistungsschalterCircuit breaker
- 142, 144, 146, 148, 150, 152142, 144, 146, 148, 150, 152
- ElektrodenElectrodes
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DE (1) | DE102020207703A1 (en) |
Citations (3)
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DE102011089740A1 (en) | 2011-12-23 | 2013-06-27 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Power module for use in inverter for three-phase alternating-current motor utilized as drive motor in e.g. electric car, has strip conductors partially overlapped along direction of vertical axis, and insulation layer made of ceramic |
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2020
- 2020-06-22 DE DE102020207703.7A patent/DE102020207703A1/en active Pending
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