DE102021207120A1

DE102021207120A1 - Leistungsmodul und Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls

Info

Publication number: DE102021207120A1
Application number: DE102021207120.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier; Hermann Josef Robin
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Ein Leistungsmodul (20) ist bereitgestellt, aufweisend: eine Leiterplatte (22), mindestens ein elektronisches Bauelement (28), das auf der Leiterplatte (22) angeordnet ist und mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist, mindestens einen Leistungshalbleiterschalter (30), der auf der Leiterplatte (22) angeordnet ist, der mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist und der eine von der Leiterplatte (22) abgewandte Kühlfläche (36) aufweist, und einen Formkörper (34) in den das elektronische Bauelement (28), die Leiterplatte (22) und der Leistungshalbleiterschalter (30) jeweils zumindest teilweise so eingebettet sind, dass die Kühlfläche (36) des Leistungshalbleiterschalters (30) frei von dem Formkörper (34) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls.
Ein Leistungsmodul, insbesondere ein elektrisches und/oder elektronisches Leistungsmodul, kann Teil eines Stromrichters, beispielsweise eines Inverter oder eines Gleichrichter sein. Ein Inverter ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Inverter weisen beispielsweise einen oder mehrere Leistungshalbleiterschalter, insbesondere Transistoren, beispielsweise einen oder mehrere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT)), und ein oder mehrere elektronische Bauelemente, insbesondere passive elektronische Bauelemente, wie z.B. Widerstände oder Kondensatoren, und/oder aktive elektronische Bauelemente, wie z.B. Transistoren und/oder Chips, auf.
Zum Kühlen der Leistungshalbleiterschalter und/oder elektronischen Bauelemente können Kühlkörper mit den Leistungshalbleiterschaltern bzw. den elektronischen Bauelementen thermisch gekoppelt werden. Leistungshalbleiterschalter und/oder elektronischen Bauelemente können ganz oder teilweise in einem Formkörper, beispielsweise einem Moldkörper, eingebettet werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das einfach konstruiert und robust, insbesondere thermisch, mechanisch und/oder elektrisch robust, ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls bereitzustellen, das einfach, schnell und/oder kostengünstig durchführbar ist und das dazu beiträgt, dass das Leistungsmodul robust, insbesondere thermisch, mechanisch und/oder elektrisch robust, ist.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul kann auch als Powermodul bezeichnet werden. Das Leistungsmodul weist auf: eine Leiterplatte, mindestens ein elektronisches Bauelement, das auf der Leiterplatte angeordnet ist und mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist, mindestens einen Leistungshalbleiterschalter, der auf der Leiterplatte angeordnet ist, der mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist und der eine von der Leiterplatte abgewandte Kühlfläche aufweist, und einen Formkörper in den das elektronische Bauelement, die Leiterplatte und der Leistungshalbleiterschalter jeweils zumindest teilweise so eingebettet sind, dass die Kühlfläche des Leistungshalbleiterschalters frei von dem Formkörper ist.
Dieses Leistungsmodul stellt ein einfaches und robustes Aufbau- und Verbindungskonzept dar, das sich für ein Umspritzen, also das Ausbilden des Formkörpers, von gehäusten Bauelementen, insbesondere dem Leistungshalbleiterschalter und/oder dem elektronischen Bauelement, gut eignet. Insbesondere ist eine sehr gute thermische Anbindung des Leistungshalbleiterschalters möglich, auch wenn als Leistungshalbleiterschalter eine Standardkomponente, beispielsweise eine nicht isolierte Standardkomponente, verwendet wird.
Das Leistungsmodul kann beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise im Antriebsbereich, beispielsweise im Getriebebereich eingesetzt werden. Die Leiterplatte kann beispielsweise eine PCB (Printed Circuit Board) sein. Eine Stromführung in der Leiterplatte ermöglicht einen sehr niederinduktiven Aufbau, da die Stromführung von Hin- und Rückleitung nicht nebeneinander, sondern leicht übereinander in verschiedenen Schichten der Leiterplatte erfolgen kann. Somit können große Stromschleifen vermieden werden.
Das elektronische Bauelement kann beispielsweise ein aktives Bauelement, wie z.B. ein Schaltkreis, ein Chip oder Transistor, beispielsweise zum Ansteuern des Leistungshalbleiterschalters, sein oder aufweisen. Alternativ dazu kann das elektronische Bauelement ein passives Bauelement, z.B. ein Widerstand, ein Kondensator, oder eine Spule sein oder aufweisen. Das elektronische Bauelement und optional ein, zwei oder mehr weitere elektronische Bauelemente können einen oder mehrere Ansteuerschaltkreise für den Leistungshalbleiterschalter und gegebenenfalls weitere Leistungshalbleiterschalter aufweisen oder bilden. Die entsprechenden Ansteuerschaltkreise können direkt auf der Leiterplatte platziert werden und sitzen dann sehr nahe bei den anzusteuernden Leistungshalbleiterschaltern. Dies trägt dazu bei, dass ein Schalten mittels des bzw. der Leistungshalbleiterschalter sehr schnell erfolgen kann.
Der Leistungshalbleiterschalter kann beispielsweise eine Standardleistungshalbleiteranordnung, eine Leistungsendstufe, ein IGBT, eine diskrete SMD-Komponente und/oder eine Standardkomponente sein. Dies kann dazu beitragen, dass das Leistungsmodul besonders kostengünstig herstellbar ist. Der Leistungshalbleiterschalter und das elektronische Bauelement können beispielsweise einen Stromrichter, insbesondere einen Inverter oder einen Gleichrichter, bilden. Das Leistungsmodul ist hinsichtlich der Stromanforderung sehr gut skalierbar, beispielsweise durch eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Leistungshalbleiterschaltern. Die Kühlfläche kann auch als Entwärmungsfläche bezeichnet werden.
Der Formkörper kann beispielsweise als Moldkörper bezeichnet werden und ein Gusskörper oder Spritzgusskörper sein. Der Formkörper kann dementsprechend in einem Gussverfahren, Spritzverfahren, Umspritzverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet werden. Das elektronische Bauelement und/oder die Leiterplatte können optional vollständig in den Formkörper eingebettet sein. Alle Außenflächen dieser Komponenten, die nicht andere Komponenten des Leistungsmoduls berühren können vollständig von dem Formkörper umgeben sein. In anderen Worten kann mittels eines Umspritzverfahrens, bei dem der Formkörper ausgebildet wird, das komplette Powermodul, optional inklusive Ansteuerung und Zwischenkreis, mediendicht geschützt werden. Durch dieses Umspritzverfahren sind besonders kleine Isolationsabstände hinsichtlich einer Hochspannung möglich. Das Leistungsmodul mit dem in dem Formkörper gehäusten Leistungshalbleiterschalter kann besonders einfach weiterverarbeitet werden. Der Formkörper ermöglicht außerdem eine hohe Flexibilität bezüglich des benötigten Bauraums.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul einen Verbundschichtkörper, der eine erste Kupferschicht, einen Keramikkörper und eine zweite Kupferschicht, die in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der Kühlfläche angeordnet und miteinander verbunden sind, auf. Der Verbundschichtkörper ist mit der ersten Kupferschicht an der Kühlfläche angeordnet, wobei der Verbundschichtkörper derart in den Formkörper eingebettet ist, dass die zweite Kupferschicht zumindest teilweise frei von dem Formkörper ist. Der Verbundschichtkörper ermöglicht aufgrund seiner Kupferschichten eine sehr gute thermische Anbindung an die Kühlfläche und aufgrund der Keramikschicht eine elektrische Isolierung der Kühlfläche und damit des ansonsten in den Formkörper eingebetteten Leistungshalbleiterschalters. Der Verbundschichtkörper kann an der Kühlfläche angeordnet sein, indem die erste Kupferschicht mit der Kühlfläche verbunden und/oder an dieser angelötet oder geklebt ist, beispielsweise unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Der Verbundschichtkörper trägt zu einer besonders guten Wärmekopplung mit der Kühlfläche bei. Das Kupfer der Kupferschichten ist jeweils fest und optional direkt und unmittelbar mit der Keramik des Keramikkörpers verbunden. Der Verbundschichtkörper kann als DCB-(Direct-Copper-Bond)-Körper, beispielsweise als DCB-Plättchen ausgebildet sein. Der Keramikkörper kann beispielsweise Al₂O₃, Si₃N₄ oder AIN aufweisen. Die Möglichkeit, das Material des Keramikkörpers zu variieren, ermöglicht eine gute Skalierbarkeit des elektrischen Isoliereffekts des Verbundschichtkörpers.
Gemäß einer Ausführungsform ist an der Kühlfläche oder, falls der Verbundschichtkörper an der Kühlfläche angeordnet ist, der zweiten Kupferschicht ein Kühlkörper angeordnet. Der Kühlkörper kann ein, zwei oder mehr Kühlrippen aufweisen. Der Kühlkörper kann mit der Kühlfläche verbunden sein, beispielsweise an dieser angelötet oder angeklebt, optional unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper mechanisch mit dem Verbundschichtkörper verbunden sein. Der Kühlkörper trägt zu einem besonders effizienten Abtransport von Wärme aus dem Verbundschichtkörper und damit zu einer besonders effizienten Kühlung des Leistungshalbleiterschalters bei.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsmodul ein Kühlgehäuse auf dem Formkörper auf der Leiterplatte auf. Das Kühlgehäuse ist so ausgebildet und angeordnet, dass zwischen dem Formkörper und dem Kühlgehäuse ein Kühlflüssigkeitskanal gebildet ist, der flüssigkeitsdicht ist. Bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Leistungsmoduls kann sich in dem Kühlflüssigkeitskanal Kühlflüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, befinden. Der Kühlflüssigkeitskanal kann einen Einlass und/oder einen Auslass zum Zuführen, Abführen und/oder Zirkulieren der Kühlflüssigkeit aufweisen. Das Kühlgehäuse mit dem Kühlkanal ermöglicht eine Flüssigkeitskühlung, z.B. Wasserkühlung, und damit eine besonders effiziente Kühlung des Leistungsmoduls, insbesondere des Leistungshalbleiterschalters.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kühlkörper in dem Kühlflüssigkeitskanal angeordnet. In anderen Worten ist der Kühlkörper so angeordnet, dass er bei bestimmungsgemäßem Einsatz von der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeitskanal umspült wird. Dies trägt zu einer besonders effizienten Kühlung des Leistungsmoduls, insbesondere des Leistungshalbleiterschalters, bei.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen des Leistungsmoduls, aufweisend: Bereitstellen der Leiterplatte mit dem mindestens einen elektronischen Bauelement, das mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist, und mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterschalter, der mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist und der die von der Leiterplatte abgewandte Kühlfläche aufweist; und Ausbilden des Formkörpers derart, dass das elektronische Bauelement, die Leiterplatte und der Leistungshalbleiterschalter zumindest teilweise in den Formkörper eingebettet sind und dass die Kühlfläche des Leistungshalbleiterschalters frei von dem Formkörper ist.
Die im Vorhergehenden erläuterten Merkmale, Vorteile und/oder Ausführungsformen des Leistungsmoduls können ohne weiteres auf Merkmale, Vorteile und/oder Ausführungsformen des Verfahrens zum Herstellen des Leistungsmoduls übertragen werden. Daher wird in diesem Zusammenhang auf die Vorhergehenden Ausführungen verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
Der Formkörper kann beispielswiese in einem Gussverfahren, Spritzverfahren, Umspritzverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet werden. Dazu wird die entsprechende Formmasse (in anderen Worten „Moldmasse“) in eine Kavität zwischen in der Regel zwei besonders geformte Werkzeuge gegossen bzw. gespritzt. Die Kühlfläche kann dabei frei von der Formmasse und damit dem Formkörper bleiben, indem mindestens eines der beiden Werkzeuge entsprechend ausgebildet wird oder ein Stempel, der die Kühlfläche bedeckt, zwischen die Werkzeuge gelegt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter ein Anordnen des Verbundschichtkörpers, der die erste Kupferschicht, den Keramikkörper und die zweite Kupferschicht aufweist, die in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der Kühlfläche angeordnet und miteinander verbunden sind, auf der Kühlfläche auf, wobei beim Ausbilden des Formkörpers der Verbundschichtkörper derart in den Formkörper eingebettet wird, dass die zweite Kupferschicht zumindest teilweise frei von dem Formkörper ist. Zum Herstellen des Verbundschichtkörpers kann beispielsweise der Keramikkörper mit den Kupferschichten beschichtet werden. Beispielsweise kann bei der Herstellung des Verbundschichtkörpers das Kupfer der Kupferschichten mit dem Sauerstoff des Keramikkörpers chemisch verbunden werden. Beispielsweise kann mit Kupfer beschichtetes Kupferoxid als dünne Kupferfolie auf die Keramikoberfläche des Keramikkörpers gelegt und dann erhitzt werden, wodurch sich die untere Seite der Kupferfolie, die aus Kupferoxid besteht, metallurgisch mit der Keramikoberfläche zusammenfügt.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Verbundschichtkörper in einem Reflow-Lötprozess auf der Kühlfläche angeordnet. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verbundschichtkörper in demselben Reflow-Lötprozess auf der Kühlfläche angeordnet wird, in dem das elektronische Bauelement und/oder der Leistungshalbleiterschalter mit der Leiterplatte verbunden werden. Dies kann zu einem besonders schnellen, einfachen und/oder kostengünstigen Herstellen des Leistungsmoduls beitragen.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Kühlkörper mittels Dampfphasenlötens, Reaktionslötens oder Sinterns an der Kühlfläche angeordnet. Dies trägt zu einer besonders guten und/oder effizienten thermischen Ankopplung des Kühlkörpers an dem Verbundschichtkörper bei. Optional kann nachfolgend ein mechanischer Stabilisierungsprozess, z.B. ein Vergießen, Verkleben oder Verstemmen, des Kühlkörpers erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform wird auf dem Formkörper auf der zweiten Seite der Leiterplatte ein Kühlgehäuse so angeordnet, dass zwischen dem Formkörper und dem Kühlgehäuse ein flüssigkeitsdichter Kühlflüssigkeitskanal gebildet ist. Das Kühlgehäuse kann die Flüssigkeitskühlung und damit besonders effiziente Kühlung des Leistungshalbleiterschalters ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform werden der Formkörper und/oder das Kühlgehäuse in einem Gussverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet. Das Gussverfahren bzw. Spritzgussverfahren kann auch als Moldverfahren bezeichnet werden. Optional und/oder falls nötig können nach dem Ausbilden des Formkörpers und vor dem Anordnen des Kühlkörpers überflüssige Fomwerkstoffreste, sogenannte „Moldflashs“, des Formkörpers entfernt werden, beispielsweise mittels Laserschneidens.
Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Leistungsmoduls so wie obenstehend und untenstehend beschrieben auch Merkmale des Verfahrens zum Herstellen des Leistungsmoduls sein können und umgekehrt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls.
2 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls.
3 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls in einem ersten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls.
4 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls gemäß 3 in einem zweiten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls.
5 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls gemäß 4 in einem dritten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls.
6 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls gemäß 5 in einem vierten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls.
7 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls gemäß 6 in einem fünften Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20. Das Leistungsmodul 20 kann auch als Powermodul bezeichnet werden und/oder dazu ausgeführt sein Ströme von mehr als 10 A und/oder Spannungen von mehr als 100 V zu verarbeiten. Das Leistungsmodul 20 weist eine Leiterplatte 22, mindestens ein elektronisches Bauelement 28, mindestens einen Leistungshalbleiterschalter 30 und einen Formkörper 34 auf.
Die Leiterplatte 22 kann auch als PCB (Printed Circuit Board) bezeichnet werden. Die Leiterplatte 22 weist einen Grundkörper und Leiterbahnen in und/oder auf dem Grundkörper auf. Der Grundkörper kann beispielsweise Kunstharz aufweisen oder daraus bestehen. Die Leiterbahnen weisen ein elektrisch leitfähiges Material auf oder bestehen daraus. Die Leiterplatte 22 weist eine erste Seite 24 und eine zweite Seite 26, die von der ersten Seite 24 abgewandt ist, auf.
Das elektronische Bauelement 28 ist beispielsweise auf der ersten Seite 24 der Leiterplatte 22 angeordnet. Alternativ kann das elektronische Bauelement 28 auch auf der zweiten Seite 26 der Leiterplatte 22 angeordnet sein. Das elektronische Bauelement 28 ist mit mindestens einer der Leiterbahnen der Leiterplatte 22 elektrisch verbunden. Das elektronische Bauelement 28 kann ein aktives Bauelement oder ein passives Bauelement sein. Ein aktives Bauelement kann beispielsweise ein Schaltkreis, ein Chip oder ein Transistor sein und/oder diese(n) aufweisen. Ein passives Bauelement kann beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator oder eine Spule sein und/oder diese(n) aufweisen. Zusätzlich zu dem elektronischen Bauelement 28 können noch ein, zwei oder mehr weitere elektronische Bauelemente 28 auf der ersten oder zweiten Seite 24, 26 der Leiterplatte 22 angeordnet sein. Das elektronische Bauelement 28 kann beispielsweise zum Steuern, beispielsweise Ansteuern, und/oder zum Regeln des Leistungshalbleiterschalters 30 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann das elektronische Bauelemente 28 mit dem Leistungshalbleiterschalter 30 elektrisch verbunden sein.
Der Leistungshalbleiterschalter 30 ist auf der Leiterplatte 22 angeordnet. Der Leistungshalbleiterschalter 30 ist mit der Leiterplatte 22 elektrisch verbunden. Insbesondere ist der Leistungshalbleiterschalter 30 mittels Bonddrähten 32 mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 22 elektrisch verbunden. Der Leistungshalbleiterschalter 30 weist eine von der Leiterplatte 22 abgewandte Kühlfläche 36 auf. Die Kühlfläche 36 kann auch als Entwärmungsfläche bezeichnet werden. Der Leistungshalbleiterschalter 30 kann beispielsweise eine Standardleistungshalbleiteranordnung, eine Leistungsendstufe, ein IGBT, eine diskrete SMD-Komponente und/oder Standardkomponente sein. Der Leistungshalbleiterschalter 30 und optional das elektronische Bauelemente 28 können beispielsweise einen Stromrichter, beispielsweise einen Wechselrichter oder Inverter oder einen Gleichrichter, bilden.
Der Formkörper 34 umgibt das elektronische Bauelement 28, die Leiterplatte 22 und den Leistungshalbleiterschalter 30 jeweils zumindest teilweise. In anderen Worten sind das elektronische Bauelement 28, die Leiterplatte 22 und der Leistungshalbleiterschalter 30 jeweils zumindest teilweise in den Formkörper 34 eingebettet. Beispielsweise ist das elektronische Bauelemente 28 vollständig in den Formkörper 34 eingebettet. Beispielsweise ist die Leiterplatte 22 vollständig oder zumindest bis auf ihre Randbereiche in den Formkörper 34 eingebettet. Der Leistungshalbleiterschalter 30 ist beispielsweise so in den Formkörper 34 eingebettet, dass die Kühlfläche 36 des Leistungshalbleiterschalters 30 frei von dem Formkörper 34 ist. Der Formkörper 34 kann beispielsweise ein Gusskörper oder ein Spritzgusskörper sein und/oder als „Moldkörper“ bezeichnet werden.
Das Leistungsmodul 20 kann weiter einen Verbundschichtkörper 40 aufweisen, der eine erste Kupferschicht 42, einen Keramikkörper 44 und eine zweite Kupferschicht 46 aufweist. Gegebenenfalls ist der Verbundschichtkörper 40 derart in den Formkörper 34 eingebettet, dass die zweite Kupferschicht 46 zumindest teilweise frei von dem Formkörper 34 ist. Die erste Kupferschicht 42, der Keramikkörper 44 und die zweite Kupferschicht 46 sind in den Figuren in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der Kühlfläche 36 angeordnet und miteinander verbunden. Das Kupfer der Kupferschichten 42, 46 ist jeweils fest und optional direkt und unmittelbar mit der Keramik des Keramikkörpers 44 verbunden. „Direkt“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine weiteren Materialien, wie beispielsweise Klebstoff oder Lot zwischen dem Keramikkörper 44 und den Kupferschichten 42, 46 sind. Beispielsweise werden beim Herstellen des Verbundschichtkörpers 40 die Kupferschichten 42,46 direkt auf dem Keramikkörper 44 ausgebildet. Der Verbundschichtkörper 40 kann als DCB(Direct-Copper-Bond)-Körper, beispielsweise als DCB-Plättchen ausgebildet sein. Der Keramikkörper 44 kann beispielsweise Al₂O₃, Si₃N₄ oder AIN aufweisen. Die erste Kupferschicht 42 ist an der Kühlfläche 36 angeordnet. Insbesondere ist die erste Kupferschicht 42 mit der Kühlfläche 36 verbunden, insbesondere thermisch verbunden. Beispielsweise ist die erste Kupferschicht 42 an der Kühlfläche 36 angelötet oder angeklebt, beispielsweise unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste.
Optional ist an der Kühlfläche 36 oder, falls der Verbundschichtkörper 40 angeordnet ist, an der zweiten Kupferschicht 46 ein Kühlkörper 50 angeordnet. Der Kühlkörper 50 ist mit der Kühlfläche 36 bzw. der zweiten Kupferschicht 46 verbunden, beispielsweise an dieser angelötet und/oder angeklebt, beispielsweise unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper 50 mit dem Leistungshalbleiterschalter 30 und/oder dem Verbundschichtkörper 40 mechanisch verbunden sein. Der Kühlkörper 50 weist ein thermisch sehr gut leitfähiges Material, beispielsweise ein Metall, beispielsweise Aluminium, auf. Der Kühlkörper 50 kann eine oder mehrere Kühlrippen 52 aufweisen.
2 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20. Das Leistungsmodul 20 entspricht weitgehend dem im Vorhergehenden erläuterten Leistungsmodul 20. Zusätzlich weist das Leistungsmodul 20 ein Kühlgehäuse 60 auf. Das Kühlgehäuse 60 ist an dem Formkörper 34 angeordnet, insbesondere an diesem befestigt und/oder mit diesem verbunden. Das Kühlgehäuse 60 kann beispielsweise mittels Klebstoffs und/oder mittels einer mechanischen Verbindung an dem Formkörper 34 befestigt sein. Das Kühlgehäuse 60 ist so ausgebildet und angeordnet, dass zwischen dem Formkörper 34 und dem Kühlgehäuse 60 ein Kühlflüssigkeitskanal 64 gebildet ist. Der Kühlflüssigkeitskanal 64 ist flüssigkeitsdicht. Zu diesem Zweck kann das Leistungsmodul 20 eine Dichtung 62 aufweisen, die zwischen dem Formkörper 34 und dem Kühlgehäuse 60 angeordnet ist und die den Kühlflüssigkeitskanal 64 abdichtet.
Der Kühlflüssigkeitskanal 64 kann einen Auslass und/oder einen Einlass (nicht gezeigt) aufweisen. Der Auslass und der Einlass dienen zum Abführen bzw. Einführen von Kühlflüssigkeit. Der Kühlflüssigkeitskanal 64 eignet sich zum Aufnehmen und/oder Führen der Kühlflüssigkeit. In dem Kühlflüssigkeitskanal 64 umspült die Kühlflüssigkeit den Kühlkörper 50 und nimmt Wärme auf, die beim Betrieb des Leistungshalbleiterschalters 30 entsteht und über die Kühlfläche 36 und den Verbundschichtkörper 40 auf den Kühlkörper 50 übertragen wird. Die Wärme kann dann durch Austausch der Kühlflüssigkeit, beispielsweise über den Einlass und/oder Auslass und/oder permanent, abgeführt werden. Die Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch sein. Beispielsweise bilden das Kühlgehäuse 60 und der Kühlflüssigkeitskanal 64 eine Wasserkühlung des Leistungsmoduls 20.
In den 3 bis 7 sind verschiedene Zustände eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20 während der Herstellung des Leistungsmoduls 20 gezeigt. Die verschiedenen Zustände veranschaulichen damit auch einzelne Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des Leistungsmoduls 20, wobei die Zustände jeweils das Leistungsmodul 20 nach dem Ausführen der entsprechenden Schritte zeigen.
3 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 20 in einem ersten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls 20. In dem ersten Zustand ist die Leiterplatte 22 mit vier elektronischen Bauelementen 28 auf der ersten Seite 24 und mit zwei Leistungshalbleiterschaltern 30 auf der zweiten Seite 26 bereitgestellt. Alternativ dazu können auch mehr oder weniger elektronische Bauelement 28 und/oder mehr oder weniger Leistungshalbleiterschalter 30 angeordnet sein. Ferner können ein, zwei oder mehr der elektronischen Bauelemente 28 auf der zweiten Seite 26 angeordnet sein. Ferner können ein, zwei oder mehr der Leistungshalbleiterschalter 30 auf der ersten Seite 24 angeordnet sein. Die elektronischen Bauelemente 28 und die Leistungshalbleiterschalter 30 sind mit Leiterbahnen der Leiterplatte 22 und/oder miteinander elektrisch verbunden. Insbesondere können die Leistungshalbleiterschalter 30 mittels Bonddrähten 32 mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 22 elektrisch verbunden sein. Die Leistungshalbleiterschalter 30 weisen jeweils eine Kühlfläche 36 zum Abführen der im Betrieb der Leistungshalbleiterschalter 30 entstehenden Wärme auf. Die Leistungshalbleiterschalter 30 sind so angeordnet, dass deren Kühlflächen 36 von der Leiterplatte 22 abgewandt sind. Die elektronischen Bauelemente 28 und/oder die Leistungshalbleiterschalter 30 können beispielsweise in einem Reflow-Lötprozess auf der Leiterplatte 22 angeordnet und/oder mit dieser verbunden werden.
4 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls 20 gemäß 3 in einem zweiten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls 20. In dem zweiten Zustand ist auf den Kühlflächen 36 der Leistungshalbleiterschalter 30 je ein Verbundschichtkörper 40 angeordnet. Die Verbundschichtkörper 40 weisen jeweils die erste Kupferschicht 42, den Keramikkörper 44 und die zweite Kupferschicht 46 auf. Die erste Kupferschicht 42, der Keramikkörper 44 und die zweite Kupferschicht 46 sind in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der entsprechenden Kühlfläche 36 angeordnet und miteinander verbunden. Das Kupfer der Kupferschichten 42, 46 ist jeweils fest und optional direkt und unmittelbar mit der Keramik des Keramikkörpers 44 verbunden. Beispielsweise werden beim Herstellen des Verbundschichtkörpers 40 die Kupferschichten 42,46 direkt auf dem Keramikkörper 44 ausgebildet. Beispielsweise kann der Keramikkörper 44 mit den Kupferschichten 42, 46 beschichtet werden. Beispielsweise kann bei der Herstellung des Verbundschichtkörpers 40 das Kupfer der Kupferschichten 42, 46 mit dem Sauerstoff des Keramikkörpers 44 chemisch verbunden werden. Beispielsweise kann mit Kupfer beschichtetes Kupferoxid als dünne Kupferfolie auf die Keramikoberfläche des Keramikkörpers 44 gelegt und dann erhitzt werden, wodurch sich die untere Seite der Kupferfolie, die aus Kupferoxid besteht, metallurgisch mit der Keramikoberfläche zusammenfügt.
Die Verbundschichtkörper 40 können an den Kühlflächen 36 angeordnet werden, indem die ersten Kupferschichten 42 mit den entsprechenden Kühlflächen 36 verbunden und/oder an diesen angelötet oder angeklebt werden, beispielsweise unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Optional können die Verbundschichtkörper 40 in einem Reflow-Lötprozess mit den Kühlflächen 36 verbunden werden. Gegebenenfalls können die Verbundschichtkörper 40 in demselben Reflow-Lötprozess mit dem Kühlflächen 36 verbunden werden, in dem die elektronischen Bauelemente 28 und/oder die Leistungshalbleiterschalter 30 mit der Leiterplatte 22 verbunden werden.
5 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls 20 gemäß 4 in einem dritten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls 20. In dem dritten Zustand ist der Formkörper 34 derart ausgebildet, dass die elektronischen Bauelemente 28, die Leiterplatte 22, die Leistungshalbleiterschalter 30 und die Verbundschichtkörper zumindest teilweise in den Formkörper 34 eingebettet sind und dass die zweiten Kupferschichten 46 frei von dem Material des Formkörpers 34 sind. Insbesondere sind die elektronischen Bauelemente 28 und die Leistungshalbleiterschalter 30 vollständig in den Formkörper 34 eingebettet und die Leiterplatte 22 und die Verbundschichtkörper 40 sind jeweils teilweise in den Formkörper 34 eingebettet. Alternativ dazu kann auch die Leiterplatte 22 vollständig in den Formkörper 34 eingebettet sein. Die Verbundschichtkörper 40 sind so in den Formkörper 34 eingebettet, dass vorzugsweise ausschließlich die in 6 gezeigten unteren Oberflächen der zweiten Kupferschichten 46 frei von dem Formkörper 34 sind. Der Formkörper 34 kann in einem Gussverfahren, Spritzverfahren, Umspritzverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet werden. Dazu wird das entsprechende Material des Formkörpers 34 (in anderen Worten „Werkstoff“, „Formmasse“ oder „Moldmasse“) in eine Kavität zwischen in der Regel zwei besonders geformte Werkzeuge gegossen bzw. gespritzt. Die Oberflächen der zweiten Kupferschichten 46 können von dem Material des Formkörpers 34 freigehalten werden, indem entsprechende Stempel in dem Formwerkzeug angeordnet werden oder das Formwerkzeug entsprechend ausgebildet wird. Optional und/oder falls nötig können nach dem Ausbilden des Formkörpers 34 überflüssige Werkstoffreste (Moldflash) des Formkörpers 34 entfernt werden, beispielsweise mittels Laserschneidens.
6 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls 20 gemäß 5 in einem vierten Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls 20. In dem vierten Zustand ist je ein Kühlkörper 50 auf den Verbundschichtkörpern 40 angeordnet. Die Kühlkörper 50 können jeweils ein, zwei oder mehr Kühlrippen 52 aufweisen. Die Kühlkörper 50 können jeweils mit den entsprechenden Verbundschichtkörpern 40, insbesondere mit den zweiten Kupferschichten 46 der entsprechenden Verbundschichtkörper 40 verbunden sein, beispielsweise an diesen angelötet oder angeklebt sein, optional unter Verwendung von Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Alternativ oder zusätzlich können die Kühlkörper 50 mechanisch mit den entsprechenden Verbundschichtkörpern 40 verbunden sein. Die Kühlkörper 50 können beispielsweise mittels Dampfphasenlötens, Reaktionslötens oder Sinterns an den Verbundschichtkörper 40 angeordnet werden. Optional kann nach dem Verbinden der Kühlkörper 50 mit den Verbundschichtkörpern 40 ein mechanischer Stabilisierungsprozess, z.B. ein Vergießen, ein Verkleben oder ein Verstemmen, der Kühlkörper 50 auf den Verbundschichtkörpern 40 erfolgen.
7 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Leistungsmoduls 20 gemäß 6 in einem fünften Zustand während der Herstellung des Leistungsmoduls 20. In dem fünften Zustand ist auf dem Formkörper 34 auf der zweiten Seite 46 der Leiterplatte 26 ein Kühlgehäuse 60 so angeordnet, dass zwischen dem Formkörper 34 und dem Kühlgehäuse 60 ein flüssigkeitsdichter Kühlflüssigkeitskanal 64 gebildet ist. Der Kühlflüssigkeitskanal 64 kann mittels der Dichtung 62, die zwischen dem Formkörper 34 und dem Kühlgehäuse 60 angeordnet wird, abgedichtet werden. Der Kühlflüssigkeitskanal 64 kann einen Auslass und/oder einen Einlass (nicht gezeigt) aufweisen. Der Auslass und der Einlass dienen gegebenenfalls zum Abführen bzw. Einführen von Kühlflüssigkeit. Der Kühlflüssigkeitskanal 64 eignet sich zum Aufnehmen und/oder Führen der Kühlflüssigkeit. Das Kühlgehäuse 60 kann beispielsweise in einem Gussverfahren oder Spritzgussverfahren (Moldverfahren) ausgebildet werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

20: Leistungsmodul
22: Leiterplatte
24: erste Seite
26: zweite Seite
28: elektronisches Bauelement
30: Leistungshalbleiterschalter
32: Bonddraht
34: Formkörper
36: Kühlfläche
40: Verbundschichtkörper
42: erste Kupferschicht
44: Keramikkörper
46: zweite Kupferschicht
50: Kühlkörper
52: Kühlrippen
60: Kühlgehäuse
62: Dichtung
64: Kühlflüssigkeitskanal

Claims

Leistungsmodul (20) aufweisend: eine Leiterplatte (22), mindestens ein elektronisches Bauelement (28), das auf der Leiterplatte (22) angeordnet ist und mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist, mindestens einen Leistungshalbleiterschalter (30), der auf der Leiterplatte (22) angeordnet ist, der mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist und der eine von der Leiterplatte (22) abgewandte Kühlfläche (36) aufweist, und einen Formkörper (34) in den das elektronische Bauelement (28), die Leiterplatte (22) und der Leistungshalbleiterschalter (30) jeweils zumindest teilweise so eingebettet sind, dass die Kühlfläche (36) des Leistungshalbleiterschalters (30) frei von dem Formkörper (34) ist.
Leistungsmodul (20) nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Verbundschichtkörper (40), der eine erste Kupferschicht (42), einen Keramikkörper (44) und eine zweite Kupferschicht (46), die in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der Kühlfläche (36) angeordnet und miteinander verbunden sind, aufweist und der mit der ersten Kupferschicht (42) an der Kühlfläche (36) angeordnet ist, wobei der Verbundschichtkörper (40) derart in den Formkörper (34) eingebettet ist, dass die zweite Kupferschicht (46) zumindest teilweise frei von dem Formkörper (34) ist.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Kühlfläche (36) oder der zweiten Kupferschicht (46) ein Kühlkörper (50) angeordnet ist.
Leistungsmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kühlgehäuse (60) auf dem Formkörper (34) auf der Leiterplatte (22), wobei das Kühlgehäuse (60) so ausgebildet und angeordnet ist, dass zwischen dem Formkörper (34) und dem Kühlgehäuse (60) ein Kühlflüssigkeitskanal (64) gebildet ist, der flüssigkeitsdicht ist.
Leistungsmodul (20) nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei der Kühlkörper (50) in dem Kühlflüssigkeitskanal (64) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (20), aufweisend: Bereitstellen einer Leiterplatte (22) mit mindestens einem elektronischen Bauelement (28), das mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist, und mit mindestens einem Leistungshalbleiterschalter (30), der mit der Leiterplatte (22) elektrisch verbunden ist und der eine von der Leiterplatte (22) abgewandte Kühlfläche (36) aufweist; Ausbilden eines Formkörpers (34) derart, dass das elektronische Bauelement (28), die Leiterplatte (22) und der Leistungshalbleiterschalter (30) zumindest teilweise in den Formkörper (34) eingebettet sind und dass die Kühlfläche (36) des Leistungshalbleiterschalters (30) frei von dem Formkörper (34) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, weiter aufweisend: Anordnen eines Verbundschichtkörpers (40), der eine erste Kupferschicht (42), einen Keramikkörper (44) und eine zweite Kupferschicht (46) aufweist, die in dieser Reihenfolge untereinander und parallel zu der Kühlfläche (36) angeordnet und miteinander verbunden sind, an der Kühlfläche (36); wobei beim Ausbilden des Formkörpers der Verbundschichtkörper (40) derart in den Formkörper (34) eingebettet wird, dass die zweite Kupferschicht (46) zumindest teilweise frei von dem Formkörper (34) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Verbundschichtkörper (40) in einem Reflow-Lötprozess auf der Kühlfläche (36) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Verbundschichtkörper (40) in demselben Reflow-Lötprozess auf der Kühlfläche (36) angeordnet wird, in dem das elektronische Bauelement (28) und/oder der Leistungshalbleiterschalter (30) mit der Leiterplatte (22) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ein Kühlkörper (50) mittels Dampfphasenlötens, Reaktionslötens oder Sinterns an der Kühlfläche (36) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem auf dem Formkörper (34) auf der zweiten Seite der Leiterplatte (22) ein Kühlgehäuse (60) so angeordnet wird, dass zwischen dem Formkörper (34) und dem Kühlgehäuse (60) ein flüssigkeitsdichter Kühlflüssigkeitskanal (64) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Formkörper (34) und/oder das Kühlgehäuse (60) in einem Gussverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet werden.