DE102020216315A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit optimierter Kühlung und Kontaktierung - Google Patents

Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit optimierter Kühlung und Kontaktierung Download PDF

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Torsten Scheller
Michael Lorenz
Sigrid Zischler
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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls, umfassend Bereitstellen eines Isoliersubstrats (12), das eine erste Metalllage (14), eine zweite Metalllage (18) und eine zwischen der ersten Metalllage (14) und der zweiten Metalllage (18) angeordnete Isolierlage (16) umfasst; Ausbilden einer Mehrzahl von Kontaktdrähtchen (20), die auf einer von der zweiten Metalllage abgewandten ersten Seite und auf einer von der ersten Metalllage abgewandten zweiten Seite des Isoliersubstrats (12) angeordnet sind; Anbringen einer elektrisch leitenden Schicht (22) zum Kontaktieren mehrerer Leistungsschalter (34) auf die erste Seite und eines Kühlkörpers (24) auf die zweite Seite.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Weitere Einsatzgebiete sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter). Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs.
  • In Anwendungsfällen mit hohen Strömen, etwa 400V- oder 800V-Anwendungen, wird eine entsprechend große Menge an Wärme in den Leistungsmodulen erzeugt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um eine Überhitzung der Leistungsschalter zu verhindern, die die Funktionalität der Leistungsmodule bzw. des Wechselrichters beeinträchtigen kann. Für diesen Zweck wird ein Kühlkörper im Leistungsmodul verwendet, mit dem sich die Leistungsschalter in thermischer Kopplung befinden.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, sogenannte diskrete Halbleiterpackages einzusetzen, die eine elektrisch nichtleitende Rückseite aufweisen. Derartige Halbleiterpackages müssen elektrisch isoliert auf den Kühlkörper aufgebracht werden. Oft ist das Aufbringen eines zusätzlichen thermischen Zwischenschichtmaterials (Engl.: Thermal Interface Material) erforderlich. Die thermische Leitfähigkeit des Leistungsmoduls zwischen den elektronischen Bauteilen und dem Kühlkörper ist hierdurch stark limitiert, was hohe thermische Widerstände zur Folge hat.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die thermischen Widerstände im Leistungsmodul und zugleich den Herstellungsaufwand des Leistungsmoduls zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls sowie ein solches Leistungsmodul und dessen Verwendung in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • 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. Weitere Einsatzformen sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter). Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
  • Zum Einspeisen eines Eingangsstroms (Gleichstroms) weist das Leistungsmodul vorzugsweise einen Eingangskontakt mit einem Positivpol und einem Negativpol auf. Im Betrieb des Leistungsmoduls ist der Positivpol mit einem Positivanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden, wobei der Negativpol mit einem Negativanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden ist.
  • Das Leistungsmodul weist ferner eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf, die zum Dämpferkondensator parallelgeschaltet sind. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter dienen dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen.
  • Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Der Ausgangsstrom kann an einem Ausgangskontakt des Leistungsmoduls an einen Verbraucher, etwa eine anzusteuernde E-Maschine, ausgegeben werden.
  • Vorzugsweise wird aus den Leistungsschaltern eine Brückenschaltungsanordnung gebildet. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HS-Schalter) und einen zum Highside-Schalter reihengeschalteten Lowside-Schalter (LS-Schalter). Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Der HS-Schalter und/oder der LS-Schalter umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HS-Schalter bzw. LS-Schalter zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
  • Das Leistungsmodul weist außerdem ein Isoliersubstrat auf, das eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine zwischen der ersten und zweiten Mealllage angeordnete Isolierlage umfasst. Die erste und/oder zweite Metalllage kann Kupfer oder eine Kupferlegierung enthalten. Die Isolierlage enthält ein Isolationsmaterial, z.B. Polyimid. Die erste und/oder Metalllage ist vorzugsweise auf die Isolierlage bedampft. Das Isoliersubstrat weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, die von der ersten Seite in der Schichtaufbaurichtung abgewandt ist. Die erste Seite ist vorzugsweise eine Oberseite der ersten Metalllage, wobei die zweite Seite vorzugsweise eine Unterseite der zweiten Metalllage ist. Auf der ersten Seite ist eine elektrisch leitende Schicht zum Kontaktieren der mehreren Leistungsschalter aufgebracht. Auf der zweiten Seite ist ein Kühlkörper zur Abfuhr der durch die Leistungsschalter und weitere elektrische und elektronische Komponenten im Leistungsmodul erzeugten Wärme aufgebracht.
  • Erfindungsgemäß sind eine Mehrzahl von Kontaktdrähtchen ausgebildet, die auf der ersten Seite und der zweiten Seite des Isoliersubstrats angeordnet sind. Die Kontaktdrähtchen sind aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall, Halbmetall oder Halbleiter gebildet. Die Kontaktdrähtchen sind vorzugsweise mittels eines Lithografieprozesses gebildet. Die Kontaktdrähtchen sind vorzugsweise als Nanodrähtchen gebildet, die sich senkrecht zur ersten bzw. zweiten Seite des Isoliersubstrats erstrecken. Die Kontaktdrähtchen weisen vorzugsweise eine Länge auf, die im Bereich der Dicke der ersten oder zweiten Metalllage liegt.
  • Vorteilhafterweise verringert sich durch Einsatz der Kontaktdrähtchen der Abstand zwischen den elektrsichen Bauteilen (z. B. Leistungsschaltern) und dem Kühlkörper. Es kann auf das thermische Grenzschichtsmaterial (Engl.: Thermal Interface Material) verzichtet werden. Der thermische Widerstand des Leistungsmodul ist dadurch reduziert, was eine verbesserte Wärmeabfuhr und Kühlung des Leistungsmoduls ermöglicht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • 1-4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
  • 1-4 zeigen eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls. Zunächst wird ein Isoliersubstrat 12 bereitgestellt, welches eine erste Metalllage 14, eine zweite Metalllage 18 und eine daziwschen angeordnete Isolierlage 16 umfasst. Die erste und/oder zweite Metalllage 14, 18 sind vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Die Isolierlage 16 ist vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial wie Polyimid gebildet. Wie 1 zeigt, umfasst das Isoliersubstrat 12 eine erste Seite (Oberseite) und eine zweite Seite (Unterseite). Auf der ersten und zweiten Seite werden eine Vielzahl von Kontaktdrähtchen 20 aufgebracht. Die Kontaktdrähtchen 20 sind aus einem elektrisch leitenden Material, etwa einem Metall, einem Halbmetall und/oder einem Halbleiter (z.B. Verbindungshalbleiter) gebildet. Die Kontaktdrähtchen 20 sind als Nanodrähtchen ausgebildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten bzw. zweiten Seite nach Außen erstrecken. Die Länge der Nanodrähtchen liegt im Bereich der Dicke der ersten bzw. zweiten Metalllage 14, 18.
  • Die Nanodrähtchen 20 sind vorzugsweise mittels eines Lithografieprozesses gebildet. Eine Photomaske wird eingesetzt, um gezielt bestimmte Bereiche eines Vorlagematerials freizulegen und dadurch die Positionen der Nanodrähtchen 20 festzulegen. Wie in 2 gezeigt, werden zwecks elektrischer Isolierung zwischen verschiedenen Bereichen der Nanodrähtchen 20 größere Bereiche 28, 30 freigelegt. Anschließend kann ein Galvanikprozess durchgeführt werden.
  • Nach Ausbilden der Kontaktdrähtchen 20 wird eine elektrisch leitende Schicht 22 auf die erste Seite (Oberseite) des Isoliersubstrats 12 aufgebracht. Außerdem wird ein Kühlkörper 24 umfassend eine Pin-Fin-Struktur 26 auf die zweite Seite (Unterseite) des Isoliersubstrats 12 aufgebracht. Statt der Pin-Fin-Struktur 26 kann der Kühlkörper 24 eine andere Kühlstruktur aufweisen, etwa Kühlkanäle, Kühlgräben, etc.. Zwecks besserer thermischer Kopplung wird eine Oxidschicht, die eine dem Isoliersubstrat 12 zugewandte Kontaktfläche des Kühlkörpers 24 vor dem Verbinden mit dem Isoliersubstrat 12 entfernt.
  • Wie in 2-3 gezeigt, werden bestimmte Bereiche in der elektrisch leitenden Schicht 22, die zur Kontaktierung von Leistungsschaltern 34 (z.B. IGBT), Drahbonden 32 (Engl.: Wire Bonding) und Leadframes 36 dienen, entsprechend den freigelegten Bereichen der Kontaktdrähtchen 20 zumindest teilweise freigelegt, um eine elektrische Isolierung auch zwischen verschiedenen Kontaktanschlüssen für die kontaktierten Komponenten 32, 34, 36 zu realisieren und einen Kurzschluss zu vermeiden. Das fertig hergestellte Leistungsmodul ist in 4 schematisch gezeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 12
    Isoliersubstrat
    14
    erste Metalllage
    16
    Isolierlage
    18
    zweite Metalllage
    20
    Kontaktdrähtchen
    22
    elektrisch leitende Schicht
    24
    Kühlkörper
    26
    Pin-Fin-Struktur
    28, 30
    freigelegte Bereiche
    32
    Drahbonden
    34
    Leistungsschalter
    36
    Leadframe

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls, umfassend: - Bereitstellen eines Isoliersubstrats (12), das eine erste Metalllage (14), eine zweite Metalllage (18) und eine zwischen der ersten Metalllage (14) und der zweiten Metalllage (18) angeordnete Isolierlage (16) umfasst; - Ausbilden einer Mehrzahl von Kontaktdrähtchen (20), die auf einer von der zweiten Metalllage abgewandten ersten Seite und auf einer von der ersten Metalllage abgewandten zweiten Seite des Isoliersubstrats (12) angeordnet sind; - Anbringen einer elektrisch leitenden Schicht (22) zum Kontaktieren mehrerer Leistungsschalter (34) auf die erste Seite und eines Kühlkörpers (24) auf die zweite Seite.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kontaktdrähtchen (20) Nanodrähtchen sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktdrähtchen (20) mittels eines Lithographieprozesses gebildet sind, bei dem eine Photomaske zur Festlegung der Kontaktdrähtchen (20) verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Anbringen der elektrisch leitenden Schicht (22) und des Kühlkörpers (24) mittels eines Diffusionsprozesses erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kontaktdrähtchen (20) auf der ersten Seite anders angeordnet sind als auf der zweiten Seite.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und/oder zweite Seite freigelegte Bereiche (28, 30) aufweist, in denen kein Kontaktdrähtchen (20) angeordnet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die freigelegten Bereiche (28, 30) mittels eines mechanischen, chemischen und/oder Laserverfahrens erzeugt werden.
  8. Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - ein Isoliersubstrat (12), das eine erste Metalllage (14), eine zweite Metalllage (18) und eine zwischen der ersten Metalllage (14) und der zweiten Metalllage (18) angeordnete Isolierlage (16) umfasst; - eine Mehrzahl von Kontaktdrähtchen (20), die auf einer von der zweiten Metalllage abgewandten ersten Seite und auf einer von der ersten Metalllage abgewandten zweiten Seite des Isoliersubstrats (12) angeordnet sind; - eine elektrisch leitende Schicht (22) zum Kontaktieren mehrerer Leistungsschalter, die auf der ersten Seite des Isoliersubstrats (12) angebracht ist; und - einen Kühlkörper (24), der auf der zweiten Seite des Isoliersubstrats (12) angebracht ist.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 8, wobei die Kontaktdrähtchen (20) Nanodrähtchen sind.
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