DE102020207703A1 - Power module for operating an electric drive for a vehicle and method for producing such a power module - Google Patents

Power module for operating an electric drive for a vehicle and method for producing such a power module Download PDF

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Torsten Scheller
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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 aus 2 in einer ersten Schnittansicht; und
  • 4 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus 2 in einer zweiten Schnittansicht.
Embodiments will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 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 module 2 in a first sectional view; and
  • 4th a schematic representation of the power module 2 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.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus 10 für ein Leistungsmodul. Der Schichtaufbau 10 weist ein mehrlagiges Substrat auf, das eine erste Substratlage 12 und eine zweite Substratlage 14 umfasst. Der Schichtaufbau 10 weist ferner drei Metallisierungsschichten 16, 18, 20 auf. Eine erste Metallisierungsschicht 16 ist oberseitig der ersten Substratlage 12 angeordnet. Eine zweite Metallisierungsschicht 20 ist unterseitig der zweiten Substratlage 14 angeordnet. Eine dritte Metallisierungsschicht 18 ist zwischen der ersten und zweiten Substratlage 12, 14 angeordnet. 1 shows a schematic representation of a layer structure 10 for one power module. The layer structure 10 has a multi-layer substrate which has a first substrate layer 12th and a second substrate layer 14th includes. The layer structure 10 also has three layers of metallization 16 , 18th , 20th on. A first layer of metallization 16 is on top of the first substrate layer 12th arranged. A second layer of metallization 20th is on the underside of the second substrate layer 14th arranged. A third layer of metallization 18th is between the first and second substrate layers 12th , 14th arranged.

Die erste und zweite Substratlage 12, 14 dienen als Isolierungsschicht um eine elektrische Stromleitung zwischen den einzelnen Metallisierungsschichten 16, 18, 20 zunächst zu unterbinden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Substratlagen 12, 14 jeweils um eine Keramiklage. Die zweite Substratlage 14 kann, wie in 1 zu sehen ist, eine größere Länge als die erste Substratlage 12 haben.The first and second substrate layers 12th , 14th serve as an insulating layer around an electrical current line between the individual metallization layers 16 , 18th , 20th first to prevent. The substrate layers are preferably involved 12th , 14th one ceramic layer each. The second substrate layer 14th can, as in 1 can be seen, a greater length than the first substrate layer 12th to have.

2-4 zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer Ausführungsform, in dem der Schichtaufbau 10 aus 1 Einsatz findet. Das Leistungsmodul 100 wird beispielsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Inverter) verwendet. Nachfolgend wird das Leistungsmodul 100 am Beispiel eines solchen Wechselrichters beschrieben. 2-4 each show a schematic view of a power module 100 according to one embodiment in which the layer structure 10 out 1 Is used. The power module 100 is used, for example, in a DC / AC inverter. The following is the power module 100 described using the example of such an inverter.

Fig, 2 zeigt das Leistungsmodul 100 in einer Draufsicht. Das Leistungsmodul 100 weist mehrere elektrische Kontakte und Elektroden sowie Leistungsschalter auf. Die elektrischen Kontakte sind in der ersten Metallisierungsschicht 116 ausgeformt und weisen einen ersten positiven Kontakt 122, einen zweiten positiven Kontakt 124, einen ersten negativen Kontakt 130, einen zweiten negativen Kontakt 132, einen ersten Ausgangskontakt 126 sowie einen zweiten Ausgangskontakt 128 auf. Die positiven und negativen Kontakte bilden einen Stromeingang des Leistungsmoduls 100, der an einen positiven Pol einer Energiequelle, etwa Batterie, verbunden anschließbar ist. Der erste Ausgangskontakt 126 sowie der zweite Ausgangskontakt 128 bilden einen Stromausgang, der an einen Verbraucher, beispielsweise eine E-Maschine, anschließbar ist.Fig, 2 shows the power module 100 in a top view. The power module 100 has multiple electrical contacts and electrodes and circuit breakers. The electrical contacts are in the first metallization layer 116 formed and have a first positive contact 122 , a second positive contact 124 , a first negative contact 130 , a second negative contact 132 , a first output contact 126 and a second output contact 128 on. The positive and negative contacts form a current input of the power module 100 , which can be connected to a positive pole of an energy source, such as a battery. The first output contact 126 as well as the second output contact 128 form a current output that can be connected to a consumer, for example an electric machine.

Die Leistungsschalter umfassen zwei erste Leistungsschalter 134, 136 und zwei zweite Leistungsschalter 138, 140. Die ersten Leistungsschalter 134, 136 sind typischerweise als Highside-Schalter ausgebildet, während die zweiten Leistungsschalter 138, 140 als Lowside-Schalter ausgebildet sind. Es kommen für die Leistungsschalter IGBT, MOSFET oder HEMT in Betracht. Das hierin verwendete Halbleitermaterial kann Silizium, Siliziumcarbid und oder Galliumnitrid enthalten.The circuit breakers include two first circuit breakers 134 , 136 and two second circuit breakers 138 , 140 . The first circuit breakers 134 , 136 are typically designed as high-side switches, while the second power switch 138 , 140 are designed as a low-side switch. IGBT, MOSFET or HEMT can be used for power switches. The semiconductor material used herein can contain silicon, silicon carbide and / or gallium nitride.

Die beiden Highside-Schalter 134, 136 bilden zusammen mit den beiden Lowside-Schaltern 138, 140 eine Halbbrücke. Mittels gezielten Schaltens der Leistungsschalter 134, 136, 138, 140 wird der am Stromeingang eingespeiste Gleichstrom (DC-Strom) in einen mehrphasigen Wechselstrom (AC-Strom) umgewandelt. Die Schaltvorgänge sind derart, dass sich stets einer der beiden HS-Schalter und einer der beiden LS-Schalter in einem geschlossenen Zustand befinden, während sich der andere HS-Schalter und der andere LS-Schalter in einem geöffneten Zustand befinden. Auf diese Weise kann der eingespeiste DC-Strom stets durch die beiden geschlossenen Schalter fließen. Die HS- und LS-Schalter werden abwechselnd zwischen dem geschlossenen Zustand und dem geöffneten Zustand geschaltet, um eine Pulsbreitenmodulation (pulse width modulation, PWM) auszuführen.The two highside switches 134 , 136 form together with the two low-side switches 138 , 140 a half bridge. By means of targeted switching of the circuit breakers 134 , 136 , 138 , 140 the direct current (DC current) fed in at the current input is converted into a multi-phase alternating current (AC current). The switching operations are such that one of the two HS switches and one of the two LS switches is always in a closed state, while the other HS switch and the other LS switch are in an open state. In this way, the fed-in DC current can always flow through the two closed switches. The HS and LS switches are alternately switched between the closed state and the open state in order to carry out pulse width modulation (PWM).

Wenn beispielsweise der HS-Schalter 134 und der LS-Schalter 140 geschlossen sind, wobei der andere HS-Schalter 136 und der andere LS-Schalter 138 geöffnet sind, fließt der eingespeiste DC-Strom zunächst in den ersten positiven Kontakt 122. Dort wird der Strom durch den HS-Schalter 134 geleitet und über eine Source-Elektrode 142 (bzw. Emitter-Elektrode) in den ersten Ausgangskontakt 126 geleitet. Dort fließt der Strom in den Verbraucher (etwa E-Maschine) und anschließend über den zweiten Ausgangskontakt 128, den LS-Schalter 140 sowie eine Drain-Elektrode 152 (bzw. Kollektor-Elektrode) zum ersten negativen Kontakt 130.For example, if the HS switch 134 and the LS switch 140 are closed, with the other HS switch 136 and the other circuit breaker 138 are open, the fed-in DC current initially flows into the first positive contact 122 . There the current is passed through the HS switch 134 routed and via a source electrode 142 (or emitter electrode) in the first output contact 126 directed. There the current flows into the consumer (e.g. electric machine) and then via the second output contact 128 , the LS switch 140 and a drain electrode 152 (or collector electrode) to the first negative contact 130 .

Wenn beispielsweise der andere HS-Schalter 136 und der andere LS-Schalter 138 geschlossen sind, wobei der HS-Schalter 134 und der LS-Schalter 140 geöffnet sind, fließt der eingespeiste DC-Strom zunächst in den ersten positiven Kontakt 122. Dort wird der Strom durch den HS-Schalter 136 geleitet und über eine Source-Elektrode 144 (bzw. Emitter-Elektrode) in den ersten Ausgangskontakt 126 geleitet. Dort fließt der Strom in den Verbraucher und anschließend über den zweiten Ausgangskontakt 128, den LS-Schalter 138 sowie eine Drain-Elektrode 150 (bzw. Kollektor-Elektrode) zum ersten negativen Kontakt 130.For example, if the other HS switch 136 and the other circuit breaker 138 are closed, with the HS switch 134 and the LS switch 140 are open, the fed-in DC current initially flows into the first positive contact 122 . There the current is passed through the HS switch 136 routed and via a source electrode 144 (or emitter electrode) in the first output contact 126 directed. There the current flows into the consumer and then via the second output contact 128 , the LS switch 138 and a drain electrode 150 (or collector electrode) to the first negative contact 130 .

3 zeigt eine Schnittansicht des Leistungsmoduls 100 entlang einer in 1 gezeigten ersten Schnittebene A-A. Zusätzlich zu einem Teil der oben in Bezug auf 1 beschriebenen Bauteile sind die zweite Metallisierungsschicht 120, die dritte Metallisierungsschicht 118, die erste Substratlage 112 sowie die zweite Substratlage 114 in 3 gezeigt. Ein erster Durchkontaktierungsbereich 113, der mehrere vertikale Durchgangsöffnungen umfasst, ist in der ersten Substratlage 112 ausgebildet. Auf diese Weise ist der erste positive Kontakt 122 mit der dritten (mittleren) Metallisierungsschicht 118 elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise kann ein weiterer Strompfad in einer tieferen Ebene, nämlich der mittleren Metallisierungsschicht 118, bereitgestellt werden. Bei gleichbleibender Stromdichte ist eine geringere stromleitende Querschnittsfläche des Leistungsmoduls 100 erforderlich. Dies ermöglicht ein bauraumoptimiertes Leistungsmodul 100 und schließlich einen kompakteren Antriebswechselrichter. 3 Figure 3 shows a sectional view of the power module 100 along an in 1 shown first section plane AA. In addition to part of the above regarding 1 The components described are the second metallization layer 120 , the third metallization layer 118 , the first substrate layer 112 as well as the second substrate layer 114 in 3 shown. A first via area 113 , which comprises a plurality of vertical through openings, is in the first substrate layer 112 educated. This way is the first positive contact 122 with the third (middle) metallization layer 118 electrically connected. In this way, a further current path can be in a deeper level, namely the middle metallization layer 118 , to be provided. With a constant current density, there is a smaller current-conducting cross-sectional area of the power module 100 necessary. This enables a space-optimized power module 100 and finally a more compact drive inverter.

Des Weiteren dient die mittlere Stromebene (mittlere Metallisierungsschicht 118) zusätzlich als Wärmespreizungs- und Wärmekapazität. Der thermische Widerstand des Leistungsmoduls wird dadurch verringert. Zusätzlich kann mit Hilfe der mittleren Metallisierungsschicht 118 die EMV-Dämpfungseigenschaften des Leistungsmoduls 100 verbessert werden.The middle power level (middle metallization layer 118 ) additionally as heat spreading and heat capacity. This reduces the thermal resistance of the power module. In addition, with the help of the middle metallization layer 118 the EMC attenuation properties of the power module 100 be improved.

4 zeigt eine Schnittansicht des Leistungsmoduls 100 entlang einer in 1 gezeigten zweiten Schnittebene B-B. Auch hier sind die zweite Metallisierungsschicht 120, die dritte Metallisierungsschicht 118, die erste Substratlage 112 sowie die zweite Substratlage 114 in 3 gezeigt. Ein zweiter Durchkontaktierungsbereich 115, der mehrere vertikale Durchgangsöffnungen umfasst, ist in der ersten Substratlage 112 ausgebildet. Auf diese Weise ist der zweite positive Kontakt 124 mit der dritten (mittleren) Metallisierungsschicht 118 elektrisch leitend verbunden. Analog zum ersten Durchkontaktierungsbereich 113 kann auch hier ein weiterer Strompfad in einer tieferen Ebene, nämlich der mittleren Metallisierungsschicht 118, bereitgestellt werden. Dies ermöglicht ein bauraumoptimiertes Leistungsmodul 100 und schließlich einen kompakteren Antriebswechselrichter. Der thermische Widerstand des Leistungsmoduls wird außerdem durch die mittlere Metallisierungsschicht 118, die zusätzlich als Wärmespreizung fungiert, verringert. Auch die EMV-Dämpfungseigenschaften des Leistungsmoduls 100 werden mit Hilfe des mehrlagigen Substrats, insbesondere der zwischen den beiden Substratlagen 112, 114 angeordneten mittleren Metallisierungsschicht 118 verbessert. 4th Figure 3 shows a sectional view of the power module 100 along an in 1 shown second section plane BB. Here, too, are the second metallization layer 120 , the third metallization layer 118 , the first substrate layer 112 as well as the second substrate layer 114 in 3 shown. A second via area 115 , which comprises a plurality of vertical through openings, is in the first substrate layer 112 educated. In this way the second is positive contact 124 with the third (middle) metallization layer 118 electrically connected. Analogous to the first via area 113 Here, too, a further current path can be used in a lower level, namely the middle metallization layer 118 , to be provided. This enables a space-optimized power module 100 and finally a more compact drive inverter. The thermal resistance of the power module is also determined by the middle metallization layer 118 , which also acts as a heat spreader, is reduced. Also the EMC attenuation properties of the power module 100 are made with the aid of the multi-layer substrate, in particular that between the two substrate layers 112 , 114 arranged middle metallization layer 118 improved.

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

Claims (11)

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.A power module (100) for operating an electric drive for a vehicle, comprising: - A multilayer circuit carrier substrate with a first substrate layer (112) and a second substrate layer (114) which is spaced apart 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) facing away from the second substrate layer (114), a plurality of power switches (134, 136, 138, 140) and electrodes on the first metallization layer (116) (142, 144, 146, 148, 150, 152) are connected to control the circuit breakers (134, 136, 138, 140); - A second metallization layer (118) which is arranged on a side of the second substrate layer (114) facing away from the first substrate layer (112); and - A third metallization layer (120) which is arranged between the first and the second substrate layer (116, 118). Leistungsmodul (100) nach Anspruch 1, wobei in der ersten Metallisierungsschicht (116) ein Stromeingang und/oder ein Stromausgang ausgebildet sind.Power module (100) Claim 1 , a current input and / or a current output being formed in the first metallization layer (116). Leistungsmodul (100) nach Anspruch 2, wobei der Stromeingang zumindest einen positiven Kontakt (122, 124) und zumindest einen negativen Kontakt (130, 132) aufweist, der vom zumindest einen positiven Kontakt (122, 124) horizontal beabstandet ist.Power module (100) Claim 2 wherein the current input has at least one positive contact (122, 124) and at least one negative contact (130, 132) which is horizontally spaced from the at least one positive contact (122, 124). Leistungsmodul (100) nach Anspruch 3, wobei ein erster positiver Kontakt (122) von einem zweiten positiven Kontakt (124) entlang einer Längsrichtung beabstandet ist.Power module (100) Claim 3 wherein a first positive contact (122) is spaced from a second positive contact (124) along a longitudinal direction. Leistungsmodul nach Anspruch 4, wobei in einem ersten Durchkontaktierungsbereich (113) der ersten Substratlage (112) unterhalb des ersten positiven Kontakts (122) mehrere vertikale Durchgangsöffnungen ausgebildet sind.Power module according to Claim 4 wherein a plurality of vertical through openings are formed in a first via region (113) of the first substrate layer (112) below the first positive contact (122). Leistungsmodul (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei in einem zweiten Durchkontaktierungsbereich (115) der ersten Substratlage (112) unterhalb des zweiten positiven Kontakts (124) mehrere vertikale Durchgangsöffnungen ausgebildet sind.Power module (100) Claim 4 or 5 wherein a plurality of vertical through-openings are formed in a second via region (115) of the first substrate layer (112) below the second positive contact (124). Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zumindest ein erster Leistungsschalter (134, 136) auf dem ersten positiven Kontakt (122) angeordnet ist.Power module (100) according to one of the Claims 4 until 6th wherein at least a first power switch (134, 136) is arranged on the first positive contact (122). Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Stromausgang auf einer vom zumindest einen negativen Kontakt (130, 132) abgewandten Seite des ersten positiven Kontakts (122) einen ersten Ausgangskontakt (126) aufweist, wobei der Stromausgang ferner zwischen dem ersten positiven Kontakt (122) und dem zweiten positiven Kontakt (124) einen zweiten Ausgangskontakt (128) aufweist.Power module (100) according to one of the Claims 4 until 7th , the current output having a first output contact (126) on a side of the first positive contact (122) facing away from the at least one negative contact (130, 132), the current output further between the first positive contact (122) and the second positive contact (124) has a second output contact (128). Leistungsmodul (100) nach Anspruch 8, wobei zumindest ein zweiter Leistungsschalter (138, 140) auf dem zweiten Ausgangskontakt (128) angeordnet ist.Power module (100) Claim 8 , wherein at least one second power switch (138, 140) is arranged on the second output contact (128). Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei entlang einer Querrichtung mehrere negative Kontakte (130, 132) angeordnet sind.Power module (100) according to one of the Claims 3 until 9 wherein a plurality of negative contacts (130, 132) are arranged along a transverse direction. Verwendung des Leistungsmoduls (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Wechselrichter oder Teil hiervon in einem Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug.Use of the power module (100) according to one of the preceding claims as an inverter or part thereof in a vehicle, in particular an electric vehicle and / or a hybrid vehicle.
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