DE102020215148A1 - Leistungshalbleitermodul und Antriebsstrang für ein Fahrzeug aufweisend ein derartiges Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodul und Antriebsstrang für ein Fahrzeug aufweisend ein derartiges Leistungshalbleitermodul Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (10), aufweisend ein Substrat (12), auf welchem ein elektrischer Schaltkreis (14) angeordnet ist, wobei der elektrische Schaltkreis (14) wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b) aufweist, und wobei der elektrische Schaltkreis (14) zumindest teilweise mit einem zumindest mit einem Teil des Schaltkreises (14) unmittelbar in Kontakt stehenden Einhausungsmaterial (26) eingehaust ist, wobei das Substrat (12) einen ersten Bereich (42) mit einer ersten Dicke D1 und einen zweiten Bereich (44) mit einer zweiten Dicke D2 aufweist, wobei die zweite Dicke D2 geringer ist, als die erste Dicke D1, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b) auf dem zweiten Bereich (44) positioniert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit einem zumindest teilweise eingehausten Schaltkreis mit verbesserter Kühlung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sowie ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
  • Das Ausbilden von Steuergeräten für elektrisch antreibbare Fahrzeuge ist weithin bekannt. Leiterplatten beziehungsweise Steuergeräte beispielsweise im Automotivebereich für Anwendungen mit einem 48V-Inverter werden bisher mit Grundplatte und Gehäuse ausgeführt. Höher Integrierte Applikationen nutzen die sogenannte „Embedded“-Technologie.
  • Es existieren des Weiteren bereits Lösungen mit einem Einhausungsmaterial, bei denen elektrische Baugruppen gesamt oder als Teilgruppe eines Schaltkreises zum Teil oder vollständig mit einem Einhausungsmaterial eingehaust werden.
  • EP 2 695 499 B1 , beispielsweise, beschreibt eine Vorrichtung, die ein Substrat zum Tragen einer elektrischen Schaltung, ein Gehäuse zum Einhausen des Substrats und eine im Gehäuse aufgenommene Vergussmasse umfasst, die das Substrat wenigstens teilweise umgibt. Dabei kann die Vergussmasse am Gehäuse haften. Ferner weist die Vorrichtung eine Wandung auf, von der sich die Vergussmasse lösen kann.
  • Derartige Lösungen können jedoch noch weiter verbessert werden, insbesondere hinsichtlich einer kostengünstigen und einfachen Herstellung und/oder hinsichtlich des Bereitstellens von verbesserten Leistungsdaten.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein Leistungshalbleitermodul hinsichtlich der Herstellbarkeit und/oder der Leistungsdaten verbessert werden kann.
  • Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend ein Substrat, auf welchem ein elektrischer Schaltkreis angeordnet ist, wobei der elektrische Schaltkreis wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement aufweist, und wobei der elektrische Schaltkreis zumindest teilweise mit einem zumindest mit einem Teil des Schaltkreises unmittelbar in Kontakt stehenden Einhausungsmaterial eingehaust ist, wobei das Substrat einen ersten Bereich mit einer ersten Dicke D1 und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Dicke D2 aufweist, wobei die zweite Dicke D2 geringer ist, als die erste Dicke D1, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterelement auf dem zweiten Bereich positioniert ist.
  • Ein derartiges Modul kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen, insbesondere hinsichtlich einer vereinfachten Herstellbarkeit und hinsichtlich verbesserter Leistungsdaten.
  • Beschrieben wird ein Leistungshalbleitermodul. Unter einem Leistungshalbleitermodul kann insbesondere ein solches verstanden werden, das gemäß einer an sich für den Fachmann bekannten Definition wenigstens ein Halbleiterbauelement aufweist, das für das Steuern und/oder Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt ist. Unter hohen Strömen und Spannungen sind dabei insbesondere Ströme mit mehr als 1 Ampere und Spannungen von mehr als etwa 24 Volt zu verstehen. Insbesondere kann das hier beschriebene Leistungshalbeitermodul dem Steuern eines Elektromotors dienen, wie dies später in größerem Detail beschrieben ist.
  • Das Leistungshalbleitermodul weist ein Substrat auf, auf welchem ein elektrischer Schaltkreis angeordnet ist. Hierzu weist das Substrat insbesondere eine elektrisch isolierende Grundstruktur auf, auf der der Schaltkreis positioniert und entsprechend verschaltet ist. Beispielsweise ist das Substrat eine an sich bekannte Leiterplatte. Das Substrat kann beispielsweise elektrische Leiterbahnen aufweisen und/oder gegebenenfalls mit Metallisierungen versehen sein.
  • Die spezifische Positionierung und Verschaltung des elektrischen Schaltkreises kann in für den Fachmann ohne weiteres bekannter Weise unter Beachtung der gewünschten Anwendung realisiert werden.
  • Der elektrische Schaltkreis weist wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement, bevorzugt eine Mehrzahl an Leistungs-Halbleiterbauelementen, auf, welches wiederum entsprechend der gewünschten Anwendung gewählt ist. Beispielsweise kann ein Inverter ausgebildet werden, wozu das oder die Bauelemente etwa Leistungstransistoren, wie etwa aus der Gruppe umfassend Bipolartransistoren, MOSFET und/oder IGBT umfassen können.
  • Bei dem hier beschriebenen Leistungshalbleitermodul ist der elektrische Schaltkreis zudem zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, mit einem Einhausungsmaterial eingehaust. Beispielsweise kann das Einhausungsmaterial eine Vergussmasse sein oder ein anderes Material, welches unmittelbar auf zumindest einen Teil des elektrischen Schaltkreises aufgebracht wird und dort beispielsweise härten kann. Somit soll ein Einhausen im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass das Einhausungsmaterial zumindest mit einem Teil des Schaltkreises unmittelbar in Kontakt steht.
  • Beispielsweise kann das Einhausungsmaterial unmittelbar mit Leistungshalbleiter-Bauelementen in Kontakt stehen oder auch mit Bonddrähten, welche zur Verschaltung der Bauelemente dienen.
  • Das Einhausungsmaterial dient dazu, den elektrischen Schaltkreis vor äußeren Einflüssen, wie insbesondere Feuchtigkeit, Staub, oder auch mechanischen Einflüssen, zu schützen.
  • Insbesondere kann durch das Vorsehen des Einhausungsmaterials auf die Verwendung eines zusätzlichen den elektrischen Schaltkreis umgebenden Gehäuses verzichtet werden, so dass das Leistungshalbleitermodul gehäusefrei ausgestaltet sein kann.
  • Darüber hinaus bietet das Einhausungsmaterial eine mechanische Stabilität des Leistungshalbleitermoduls, so dass auf das Vorsehen von Grundplatten oder ähnlichen Bauteilen, welche der Stabilität des Moduls dienen, verzichtet werden kann oder das derartige Bauteile zumindest reduziert oder leichter und/oder mit weniger Material ausgebildet werden können.
  • Hinsichtlich des Substrats ist es ferner vorgesehen, dass dieses einen ersten Bereich mit einer ersten Dicke D1 und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Dicke D2 aufweist, wobei die zweite Dicke D2 geringer ist, als die erste Dicke D1, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterelement auf dem zweiten Bereich positioniert ist.
  • Insbesondere das Vorsehen eines derartigen Substrats beziehungsweise eine derartige Positionierung des Leistungs-Halbleiterbauelements kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile erlauben.
  • Denn durch die gezeigte Dickenstruktur des Substrats kann das oder können die Leistungs-Halbleiterbauelemente derart angeordnet werden, dass eine Entwärmung besonders effektiv realisierbar ist. Denn dadurch, dass wenigstens ein Leistungs-Halbleiterelement an dem zweiten Bereich und damit dem vergleichsweise dünneren Bereich angeordnet ist, kann die Wärme insbesondere quer durch das Substrat beziehungsweise entlang der Dicke des Substrats besonders effektiv abgeführt werden.
  • Diesbezüglich hat es sich gezeigt, dass verglichen zu dem Material des Substrats andere Materialien eine verbesserte Wärmeleitung aufweisen können beziehungsweise dass gegebenenfalls das Material des Substrats die Wärmeabfuhr hindern kann. Dieser Nachteil kann jedoch erfindungsgemäß verhindert oder zumindest reduziert werden.
  • Hinsichtlich der Leistungsdaten kann der Schaltkreis somit derart ausgelegt werden, dass er unter Betriebsbedingungen eine größere Wärmemenge produziert. Diese kann durch das verbesserte Entwärmungskonzept der vorliegenden Erfindung dennoch gut abgeführt werden.
  • Insbesondere kann eine verbesserte Kühlung sich ferner positiv auf die Lebensdauer auswirken, so dass die Gesamtlebensdauer verbessert werden kann. Darüber hinaus kann die Störanfälligkeit reduziert werden, was einen Gewinn an Verlässlichkeit erlauben kann.
  • Es ergibt sich somit eine verbesserte Robustheit gegenüber thermischen, mechanischen und chemische Störeinflussen trotz Verzicht auf die branchenüblichen Gehäuselösungen. Damit einhergehend wird eine verbesserte Robustheit der Aufbau- und Verbindungstechnik über die gesamte Lebensdauer erzielt.
  • Durch das Einhausungsmaterial erlaubt das Leistungshalbleitermodul wie beschrieben eine Reduzierung der Kosten bei Einhaltung gegebener Forderungen und Einschränkungen hinsichtlich des Thermomanagements. Hoher Bauteilaufwand, sowie eine starke, räumliche Einschränkung der elektronischen Baugruppen-Teile kann vermieden werden, da diese gasdicht und unter Beachtung etwa von gezieltem Schutz der Bauteil-Lötstellen geschützt werden können.
  • Auf aus dem Stand der Technik bekannte und dort notwendige Bauteile, wie etwa Aluminium-Grundplatten zur mechanischen Stabilisierung, thermisches Interfacematerial, Gehäuse, etc. kann problemlos verzichtet werden. Daraus folgt wie schon erwähnt eine Reduzierung der Gesamtkosten und des Gewichts und eine Vereinfachung der Herstellung.
  • Darüber hinaus kann durch eine Einstellung der zweiten Dicke D2 die Entwärmung an das Leistungs-Halbleiterbauelement angepasst werden, so dass stets eine geeignete Entwärmung und damit ein besonders effektives Thermomanagement vorliegt.
  • Bevorzugt kann das Substrat ferner einen dritten Bereich mit einer dritten Dicke D3 aufweisen, wobei die dritte Dicke D3 geringer ist, als die zweite Dicke D2, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterelement auf dem dritten Bereich positioniert ist. In dieser Ausgestaltung kann das Substrat somit wenigstens zwei Bereiche aufweisen, auf welchen Leistungs-Halbleiterbauelemente mit verbesserter Entwärmung positionierbar sind. Dadurch wird es möglich, die Entwärmung von unterschiedlichen Leistungs-Halbleiterbauelementen entsprechend anzupassen und so auch bei einer Mehrzahl verschiedener Leitungs-Halbleiterbauelemente stets die vorgenannten Vorteile besonders effektiv zu ermöglichen.
  • Weiter bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass ein zweiter Bereich zwischen zwei ersten Bereichen angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann eine Art Kavität für das Leistungs-Halbleiterbauelement geschaffen werden, in welcher letzteres positioniert werden kann. Dadurch kann zusätzlich zu einer verbesserten Entwärmung es erlaubt werden, dass das in dem zweiten Bereich beziehungsweise in der Kavität positionierte Leistungs-Halbleiterbauelement durch das Substrat auch einen mechanischen Schutz erhält, was sich ebenfalls positiv auf die Langlebigkeit und die Anfälligkeit gegen Beschädigungen auswirken kann.
  • Es kann ferner bevorzugt sein, die erste Dicke D1 die größte Dicke des Substrats ist und dass sämtliche erste Bereiche frei sind von einem Leistungs-Halbleiterbauelement. In dieser Ausgestaltung kann eine verbesserte Entwärmung für sämtliche Leistungs-Halbleiterelemente vorgesehen sein, was die Vorteile insbesondere von möglicher Weise verbesserten Leistungsdaten und einer verbesserten Herstellbarkeit besonders effektiv werden lässt.
  • Es ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen, dass ein oder eine Mehrzahl an Leistungs-Halbleiterelementen auch an dem ersten Bereich vorliegen.
  • Hinsichtlich des Einhausungsmaterials kann es weiterhin vorgesehen sein, dass dieses wenigstens eines von einer inneren und einer äußeren Kühlstruktur zum Abführen von Wärme von dem Einhausungsmaterial umfasst. Unter einer inneren Kühlstruktur ist eine Struktur zu verstehen, welche sich im Inneren des Einhausungsmaterial befindet, somit beispielsweise insbesondere vollständig oder wenigstens zweidimensional von Einhausungsmaterial umgeben sein kann. Im Gegensatz dazu ist eine äußere Kühlstruktur insbesondere eine solche Struktur, die an der Oberfläche des Einhausungsmaterials vorliegt.
  • Denn es wird erlaubt, dass das Einhausungsmaterial nicht nur dem Bereitstellen mechanischer Stabilität und dem Schutz des elektrischen Schaltkreises vor äußeren Einflüssen dient, sondern darüber hinaus Teil des Entwärmungskonzepts der Baugruppe ist. Dadurch kann die Entwärmung beziehungsweise das Abführen von Wärme von dem elektrischen Schaltkreis besonders effektiv und ohne die Notwendigkeit aufwändiger weitere Bauteile erfolgen. Hierdurch lassen sich Leistungsdaten und Herstellbarkeit des Leistungshalbleitermoduls weiter verbessern.
  • Ermöglicht wird ferner eine Reduzierung der zum Aufbau notwendigen Einzelteile, so dass die Herstellung vereinfacht werden kann. Ferner wird es so möglich, Kosten und Gewicht einzusparen. Letzteres kann insbesondere bei mobilen Anwendungen von großem Vorteil sein, wie etwa bei der Verwendung des Leistungshalbleitermoduls in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
  • Bevorzugt kann eine äußere Kühlstruktur vorgesehen sein, wobei die äußere Kühlstruktur Kühlrippen umfasst. In dieser Ausgestaltung können somit insbesondere an der Oberfläche Strukturen vorgesehen sein, welche die Oberfläche im Vergleich zu einer glatten Oberfläche vergrößern. Beispielsweise können die Kühlrippen in an sich bekannter Weise durch das Ausbilden einer Vielzahl nebeneinanderliegender Rippen, auch als Kammstruktur bekannt, ausgebildet sein. Somit kann in dieser Ausgestaltung eine passive Kühlung erzeugt werden, durch welche Wärme an die die Kühlstruktur umgebende Atmosphäre abgegeben werden kann. Beispielsweise kann in der spezifischen Anwendung Luft als kühlende Atmosphäre benachbart zu den Kühlrippen vorliegen.
  • Vorteil einer passiven Kühlung kann insbesondere sein, dass ohne weitere aktive Elemente eine Kühlung beziehungsweise eine Wärmeableitung unmittelbar durch die Ausgestaltung der Oberflächenstruktur des Einhausungsmaterials erfolgen kann, so dass auf weitere aktive Bauteile verzichtet werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eines von der äußeren Kühlstruktur und der inneren Kühlstruktur Teil eines Kühlkanals zum Führen eines Kühlmediums ist. Insbesondere kann die Kühlstruktur Teil eines Kühlmittelkanals sein beziehungsweise diesen begrenzen, wobei der Kühlmittelkanal insbesondere ein Kanal zum Führen von flüssigem Kühlmittel ist.
  • In dieser Ausgestaltung kann eine besonders effektive Kühlung ermöglicht werden, da insbesondere durch flüssiges Kühlmittel eine sehr effektive Kühlung möglich ist.
  • Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, dass eben das Einhausungsmaterial den Kühlkanal begrenzt, da so eine besonders einfache Herstellbarkeit einhergehend mit einer effektiven Kühlung möglich ist. Denn es wird eine direkte Montage auf einen flüssigkeitsdurchströmten Kühler beziehungsweise einen Teil desselben mit offenen Kühlkanälen möglich. Auf etwaige Zwischenträger, wie etwa Aluminiumplatten, kann dabei verzichtet werden, was wiederum Kosten und Gewicht einsparen und die Herstellung vereinfachen kann.
  • Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Einhausungsmaterial einen thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist. Der Füllstoff kann es ermöglichen, dass insbesondere gegenüber einem reinen Einhausungsmaterial die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird, was wiederum zu einer verbesserten Wärmeabführung und somit zu einer verbesserten Kühlung des Schaltkreises führen kann.
  • Unter einem thermisch leitfähigen Füllstoff soll im Sinne der Erfindung insbesondere ein solcher verstanden werden, der eine bessere thermische Leitfähigkeit aufweist, als das reine Einhausungsmaterial. Die spezifische Auswahl des Füllstoffs kann vor dem Hintergrund der gewünschten Anwendung und der gewünschten thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie etwaigen Kostenvorgaben gewählt werden.
  • Hinsichtlich des Einhausungsmaterials kann es bevorzugt sein, dass dieses ein duroplastisches Material ist. Duroplastische Materialien bieten den Vorteil einer besonders vorteilhaften Kombination von Verarbeitbarkeit und erhältlichen Eigenschaften als Einhausungsmaterial.
  • Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit ist es von Vorteil, dass Duroplaste meist als Vergussmassen verwendbar sind, bevor Sie ihren duroplastischen Zustand erreichen. Dadurch sind sie gut dazu geeignet, den elektrischen Schaltkreis zumindest zum Teil einzuhausen. Darüber hinaus wird es so möglich, hoch definierbar und reproduzierbar Kühlstrukturen sowohl als innere, als auch als äußere Struktur einzubringen. Dies etwa dadurch, dass beispielsweise für innere Strukturen Platzhalter, wie etwa sogenannte Heatpipes, eingegossen werden, welche die Form der Kühlstruktur erzeugen. Die äußeren Strukturen können etwa durch formgebende Werkzeuge erzeugt werden oder ebenfalls durch entsprechende Platzhalter erzeugbar sein.
  • Mit Bezug auf die erzielbaren Eigenschaften bieten Duroplaste den Vorteil einer hohen Stabilität und Härte und einer meist sehr guten Medienresistenz, so dass ein hoher Schutz des elektrischen Schaltkreises kombinierbar ist mit der problemlosen Verwendung zum Führen eines Kühlmittels.
  • Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Leistungshalbleitermoduls wird auf die Beschreibung des Antriebsstrangs, des Fahrzeugs, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
  • Beschrieben wird ferner ein Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wie insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, aufweisend eine Spannungsquelle, ein Leistungshalbleitermodul und einen Elektromotor, wobei das Leistungshalbleitermodul ausgestaltet ist, wie beschrieben.
  • Ein derartiger Antriebsstrang kann insbesondere von Vorteil sein für ein elektrisch angetriebenes beziehungsweise antreibbares Fahrzeug, wie etwa ein reines Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder auch ein Mild-Hybrid-Fahrzeug, welches etwa lediglich rekuperierte Energie bereitstellt.
  • Die Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, kann eine an sich bekannte Batterie, wie insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator, sein und etwa eine Spannung in einem Bereich von 48 V bereitstellen, die an dem Leistungshalbleitermodul, insbesondere Inverter, anliegt.
  • Entsprechend kann der elektrische Schaltkreis einen Inverter ausbilden. Besonders bevorzugt kann es sein, dass ein solcher Inverter ausgebildet wird, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung von wenigstens 30 V, beispielsweise von 48 V, in eine Wechselspannung umzuwandeln.
  • In dieser Ausgestaltung ist der Schaltkreis beziehungsweise ist das Leistungshalbleitermodul bevorzugt in dem Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs einsetzbar. Somit kann die beschriebene Erfindung insbesondere Lösungen aus dem Stand der Technik ersetzen, wo bislang abweichende Lösungen, wie etwa gehäusebasierte Lösungen, umgesetzt worden sind. Somit können die Vorteile der vorliegenden Erfindung insbesondere bei einem derartigen Inverter besonders effektiv zum Tragen kommen.
  • Darüber hinaus ist insbesondere bei Invertern das thermische Management von großer Wichtigkeit, so dass verbesserte Lösungen zum Kühlen insbesondere bei Invertern, etwa im Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bedeutsam sind.
  • Der Inverter kann den Strom etwa in Wechselspannung invertieren und dabei den Elektromotor, wie etwa einen Dreiphasen-Elektromotor speisen. Dieser wiederum kann zum Antreiben des Fahrzeugs dienen. Somit kann das Leistungshalbleitermodul als Steuereinheit für den Elektromotor bezeichnet werden.
  • Ein derartiger Aufbau ist an sich bekannt, bietet jedoch durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls die Vorteile wie vorstehend beschrieben hinsichtlich einer verbesserten Herstellbarkeit und verbesserter Leistungsdaten beziehungsweise eines verbesserten thermischen Managements des Leistungshalbleiters.
  • Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Antriebsstrangs wird auf die Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls, des Fahrzeugs, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
  • Beschrieben wird ferner ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei das elektrisch antreibbare Fahrzeug wenigstens eines von einem Leistungshalbleitermodul und einem Antriebsstrang aufweist, wie diese im Detail beschrieben sind.
  • Das Fahrzeug kann beispielsweise ein vollständig elektrisch antreibbares Fahrzeug sein oder ein Hybrid-Fahrzeug oder auch ein Mild-Hybrid-Fahrzeug. Beispielhaft kann das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein PKW, oder ein LKW oder ein Bus sein. Ferner kann das Fahrzeug jedoch auch jegliches andere Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, insbesondere Schiff, oder auch Luftfahrzeug, etwa ein Flugzeug oder ein Fahrzeug aus dem Bereich der Raumfahrt, sein.
  • Das Fahrzeug kann dabei insbesondere die vorgenannten Vorteile aufweisen, wonach das Fahrzeug durch die Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls beziehungsweise des das Halbleitermodul aufweisenden Antriebsstrangs Vorteile hinsichtlich des Thermo-Managements, der Leistungsdaten und der Herstellung aufweist.
  • Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Fahrzeugs wird auf die Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls, des Antriebsstrangs, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert, wobei einzelne oder mehrere Merkmale der Figuren für sich oder in Kombination ein Merkmal der Erfindung sein können. Ferner sind die Figuren nur exemplarisch aber in keiner Weise beschränkend zu sehen.
    • 1 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine erste Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
    • 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
    • 3 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung; und
    • 4 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
  • In der 1 ist eine Schnittansicht durch ein Leistungshalbleitermodul 10 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Das Leistungshalbleitermodul 10 dient insbesondere dem Einsatz in einem Antriebsstrang 36 eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Insbesondere kann das Leistungshalbleitermodul 10 einen Inverter ausbilden und so einen Elektromotor 40 des Antriebsstrangs 36 ansteuern.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst ein Substrat 12, auf welchem ein elektrischer Schaltkreis 14 angeordnet ist, wobei der elektrische Schaltkreis 14 zwei Leistungs-Halbleiterbauelemente 16a, 16b aufweist.
  • Das Substrat 12 kann beispielsweise eine herkömmliche Leiterplatte sein, die aus einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial 18 geformt ist, in beziehungsweise an welchem elektrische Leiterbahnen 20 angeordnet sind. Grundsätzlich kann auf das Substrat 12 etwa mittels Löt- oder Einpresstechnik eine Anordnung eines Leiterrahmens 22, etwa aus Kupfer, beispielsweise mit einem Querschnitt von 10 x 5 mm, als Stromschiene oberflächig montiert sein. Der Leiterrahmen 22 kann der Ansteuerung eines Elektromotors 40 dienen und ebenfalls ein Leistungs-Halbleiterbauelement tragen. Darüber hinaus ist der Leiterrahmen 22 bevorzugt ebenfalls Teil des elektrischen Schaltkreises 14.
  • Ferner sind die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16a, 16b auf Metallisierungen beziehungsweise den Leiterbahnen 20 angeordnet. Die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16a, 16b können mittels Löten und/oder Sintern aufgebracht werden und anschließend durch Drahtbonden unter Verwendung von Bonddrähten 24a, 24b, elektrisch kontaktiert werden.
  • Dem Vorstehenden folgend kann es vorgesehen sein, dass der elektrische Schaltkreis 14 einen Inverter ausbildet, wobei es besonders bevorzugt sein kann, der Inverter dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung von wenigstens 30 V, beispielsweise von 48 V, in eine Wechselspannung umzuwandeln, um einen Elektromotor 40 ansteuern zu können.
  • In einem nachlagerten Prozess wird die gesamte oder Teilbereiche des elektrischen Schaltkreises 14 mit einem Überzug aus einem Einhausungsmaterial 26, etwa einem Duroplast, hermetisch dicht überzogen beziehungsweise eingehaust. Dadurch kann eine erhöhte mechanische Stabilität als auch eine verbesserte Resistenz gegen äußere Medien, wie etwa gegen raue Umgebungen wie sie beispielsweise in einem Automatikgetriebe vorhanden sind, ermöglicht werden. Beispiele umfassen etwa Getriebeölkontakt oder auch Schutz vor Korrosion.
  • 1 zeigt dabei, dass das Substrat 12 einen ersten Bereich 42 mit einer ersten Dicke D1 und einen zweiten Bereich 44 mit einer zweiten Dicke D2 aufweist, wobei die zweite Dicke D2 geringer ist, als die erste Dicke D1, und wobei ein Leistungs-Halbleiterelement 16a auf dem zweiten Bereich 44 positioniert ist. Darüber hinaus ist es zusätzlich vorgesehen, dass das Substrat 12 ferner einen dritten Bereich 46 mit einer dritten Dicke D3 aufweist, wobei die dritte Dicke D3 geringer ist, als die zweite Dicke D2, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterelement 16b auf dem dritten Bereich 46 positioniert ist. Dadurch kann eine besonders effektive Entwärmung der Leistungs-Halbleiterbauelemente 16a, 16b ermöglicht werden. Denn die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16a, 16b sind an Bereichen angeordnet, die eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen, so dass das Substrat 12 eine Entwärmung nicht oder nur vergleichsweise gering behindert.
  • Darüber hinaus zeigt 1, dass der zweite Bereich 44 und auch der dritte Bereich 46 zwischen zwei ersten Bereichen 42 angeordnet sind. Dadurch können die Leistungs-Halbleiterbauteile 16a, 16b durch das Substrat 12 mechanisch geschützt werden, was eine gute Entwärmung mit einer hohen mechanischen Stabilität vereinen kann.
  • Für eine verbesserte Entwärmung des Einhausungsmaterials 26 und damit auch des Schaltkreises 14 und damit grundsätzlich für ein verbessertes Thermomanagement kann es vorgesehen sein, dass das Einhausungsmaterial 26 einen thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist.
  • Die Figuren zeigen ferner, dass das Einhausungsmaterial 26 wenigstens eines von einer inneren und einer äußeren Kühlstruktur 28 zum Abführen von Wärme von dem Einhausungsmaterial 26 umfasst. Unterschiedliche Ausgestaltungen der Kühlstruktur 28 sind in den 1 bis 3 gezeigt, wobei gleiche oder vergleichbare Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Daher wird m Folgenden insbesondere auf die unterschiedlichen Ausgestaltungen eingegangen.
  • In der 1 ist gezeigt, dass eine äußere Kühlstruktur 28 vorgesehen ist, wobei die äußere Kühlstruktur Kühlrippen 30 umfasst. Die Kühlrippen 30 sind etwa als Kammstruktur angeordnet und vergrößern die Oberfläche des Einhausungsmaterials 26, so dass durch die größere Oberfläche ein guter Kontakt zu der die Kühlrippen 30 umgebenden Atmosphäre gegeben ist. Dadurch kann bereits eine verbesserte Entwärmung des Einhausungsmaterials 26 und damit des Schaltkreises 14 realisiert werden.
  • In der 2 ist gezeigt, dass eine innere Kühlstruktur 28 Teil eines Kühlkanals 32 zum Führen eines Kühlmediums ist. Insbesondere kann der Kühlkanal 32 zum Führen eines flüssigen Kühlmediums ausgestaltet sein und dabei zum Einen durch das Einhausungsmaterial 26 und zum anderen durch einen externen Kühler 34 begrenzt sein, wobei der Kühlkanal 32 zwischen Kühler 34 und dem Einhausungsmaterial 26 durch Dichtungen 35 begrenzt ist. Der Kühler 34 kann insbesondere aus einem Metall gefertigt sein. In dieser Ausgestaltung kann der Kühlkanal 32 somit Teil eines Kühlkreislaufs sein, welches ein Kühlmedium durch den Kühlkanal fördert. Dabei kann es ferner grundsätzlich vorgesehen sein, dass das Einhausungsmaterial 26 ebenfalls Kühlrippen 30 aufweist, welche zusammen mit dem Kühler 34 die Kühlkanäle ausbilden können.
  • In der 3 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der ebenfalls ein Kühlkanal 32 vorliegt, dies jedoch als innere Kühlstruktur 28. Somit ist der Kühlkanal 32 in der Ausgestaltung nach 3 innerhalb des Einhausungsmaterials 26 vorgesehen, so dass auf einen externen Kühler 34 verzichtet werden kann. Gleichwohl kann der Kühlkanal 32, wie vorstehend beschrieben, Teil eines Kühlreislaufs sein.
  • Die 4 zeigt eine Einbettung des Leistungshalbleitermoduls 10 in den Antriebsstrang 36 eines Kraftfahrzeugs. Im Detail ist gezeigt, dass eine Batterie, wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie, die etwa eine Spannung von 48 V bereitstellen kann mit einem Leistungshalbleitermodul 10 verbunden ist. Das Leistungshalbleitermodul 10 kann insbesondere einen Inverter ausbilden und den von der Batterie, die als Spannungsquelle 38 dient, anliegende Gleichspannung in Wechselspannung umformen. Diese kann einen Elektromotor 40 speisen, wie etwa einen Dreiphasenmotor.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2695499 B1 [0004]

Claims (10)

  1. Leistungshalbleitermodul (10), aufweisend ein Substrat (12), auf welchem ein elektrischer Schaltkreis (14) angeordnet ist, wobei der elektrische Schaltkreis (14) wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b) aufweist, und wobei der elektrische Schaltkreis (14) zumindest teilweise mit einem zumindest mit einem Teil des Schaltkreises (14) unmittelbar in Kontakt stehenden Einhausungsmaterial (26) eingehaust ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) einen ersten Bereich (42) mit einer ersten Dicke D1 und einen zweiten Bereich (44) mit einer zweiten Dicke D2 aufweist, wobei die zweite Dicke D2 geringer ist, als die erste Dicke D1, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b) auf dem zweiten Bereich (44) positioniert ist.
  2. Leistungshalbleitermodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) ferner einen dritten Bereich (46) mit einer dritten Dicke D3 aufweist, wobei die dritte Dicke D3 geringer ist, als die zweite Dicke D2, und wobei wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b) auf dem dritten Bereich (46) positioniert ist.
  3. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich (44) zwischen zwei ersten Bereichen (42) angeordnet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dicke D1 die größte Dicke des Substrats (12) ist und dass sämtliche erste Bereiche (42) frei sind von einem Leistungs-Halbleiterbauelement (16a, 16b).
  5. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einhausungsmaterial (26) wenigstens eines von einer inneren und einer äußeren Kühlstruktur (28) zum Abführen von Wärme von dem Einhausungsmaterial (26) umfasst.
  6. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Kühlstruktur (28) vorgesehen ist, wobei die äußere Kühlstruktur (28) Kühlrippen (30) umfasst.
  7. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von der äußeren Kühlstruktur (28) und der inneren Kühlstruktur (28) Teil eines Kühlkanals (32) zum Führen eines Kühlmediums ist.
  8. Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einhausungsmaterial (26) einen thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist.
  9. Antriebsstrang (36) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend eine Spannungsquelle (38), ein Leistungshalbleitermodul (10) und einen Elektromotor (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (10) ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Elektrisch antreibbares Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug wenigstens eines von einem Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem Antriebsstrang (36) nach Anspruch 9 aufweist.
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