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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Herstellung von gemeldeten Invertern.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Aktuell gibt es viele unterschiedliche Lösungen für Leistungselektroniken bei Anwendungen im Bereich von 48V und Hochvolt, also aktuell 400V/800V. Problematisch ist insbesondere die meist eingeschränkte Skalierbarkeit und die teilweise hohen Kosten der Herstellung von sogenannten Power-Modulen. Grundsätzlich sind Inverter empfindlich bezüglich Vibrationsbelastung, Isolationsabstände, Sauberkeit, Feuchte und andere Medien, so dass beim Herstellungsprozess auf viele potentielle Fehler geachtet werden muss. Ferner ist ein diskreter Inverteraufbau für die genannten Anwendungen zwar bekannt, aber auch hier sind gesonderte und teils teure Prozess-Schritte wie Sintern und Schweißen zum Erreichen von thermischer Anbindung und Toleranzausgleich nötig.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Herstellungsverfahren für einen gemoldeten Inverter bereitzustellen, welches diese Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Herstellungsverfahren für einen aus mehreren Komponenten bestehenden, gemoldeten Inverter, aufweisend mindestens einen Leistungshalbleiter, eine Leiterplatte, einen Kühlkörper, sowie eine Keramik, wobei der Leistungshalbleiter der zwischen einer Leiterplatte und einem Kühlkörper angeordnet ist, und über eine elektrisch isolierende Keramik elektrisch zum Kühlkörper isoliert ist. Der Leistungshalbleiter weist auf einer ersten Seite elektrisch leitende Kontakte und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite ein thermisches Pad auf. In einem ersten Schritt werden die elektrisch leitenden Kontakte des mindestens einen Leistungshalbleiters elektrisch mit der Leiterplatte verbunden. In einem zweiten Schritt wird die Keramik mit einer oberen Seite davon am thermischen Pad thermisch über ein erstes metallisches Medium und auf der gegenüberliegenden unteren Seite davon am Kühlkörper thermisch über ein zweites metallisches Medium angebunden, wobei das erste und/oder das zweite metallische Medium ein TIM-Metall ist. In einem dritten Schritt wird ein Moldprozess ausgeführt, bei dem eine Moldmasse aus Duroplast derart aufgebracht wird, dass die Komponenten des Inverters dadurch gekapselt werden, und das TIM-Metall durch den darauf durch den Moldprozess ausgeübten Anpressdruck thermisch an die Keramik angebunden wird.
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Durch das Herstellungsverfahren wird ein einheitliches Verfahren für diskrete Leistungshalbleiter in jeglichen Spannungs- und Stromklassen im Bereich der Elektromobilität bereitgestellt. Das Verfahren ist dabei unabhängig von der Art und dem Material der verwendeten Leistungshalbleiter und bietet eine hohe Integrationsdichte, insbesondere durch die Möglichkeit der Verwendung von SMD-Bauteilen, sowie eine optimale thermische Anbindung aufgrund de Verwendung von Metall-TIM. Durch den Moldprozess wird außerdem ein mediendichter Inverter bereitgestellt.
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In einer Ausführung ist die Keramik beidseitig mit einer metallischen Schicht, umfassend zumindest Kupfer, in einer vorgegebenen Schichtdicke versehen. Somit wird die Anbindung an die Keramik über das metallische Medium erleichtert. In einer Ausführung ist die metallische Schicht vernickelt, so dass eine Diffusionssperre entsteht.
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In einer Ausführung ist das metallische Medium, wenn es kein TIM-Metall ist, eine Lotschicht. Im Wesentlichen ist es ausreichend und einfacher für den Herstellungsprozess, das Metall-TIM nur auf einer Seite der Keramik zu verwenden, da alleine dadurch der benötigte Toleranzausgleich erfolgen kann. Auf der anderen Seite kann ein üblicher Lotprozess ausgeführt werden.
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In einer Ausführung ist das TIM-Metall Indium oder eine Legierung auf Indium-Basis oder Zinn oder Zinn-100 oder eine Legierung auf Zinn-Basis.
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In einer Ausführung wird im zweiten Schritt in einem Bereich der Keramik, in welcher TIM-Metall verwendet wird, eine umlaufende Dichtung vorgesehen. Somit wird verhindert, dass das Metall-TIM durch die Moldmasse aus dem dafür vorgesehenen Bereich herausgedrückt wird oder aufgrund der hohen Temperatur herausfließt.
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In einer Ausführung erfolgt vor dem dritten Schritt ein Erwärmen des Kühlkörpers. In einer Ausführung erfolgt im dritten Schritt ein An- oder Aufschmelzen des TIM-Metalls während des Aufbringens der Moldmasse. Beides dient dazu, das Metall-TIM möglichst gut fließfähig zu machen, damit es sich möglichst gut mit den Oberflächen verbindet.
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In einer Ausführung wird im ersten Schritt der mindestens eine Leistungshalbleiter an seinen elektrischen Kontakten direkt an der Leiterplatte verlötet, oder es werden zuerst Stromschienen an der Leiterplatte befestigt und der mindestens eine Leistungshalbleiter wird danach auf den Stromschienen und damit auf der Leiterplatte elektrisch angebunden.
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Ferner wird ein Inverter bereitgestellt, aufweisend mindestens einen Leistungshalbleiter, der zwischen einer Leiterplatte und einem Kühlkörper angeordnet ist, und über eine Keramik elektrisch zum Kühlkörper isoliert ist, wobei der Inverter durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren hergestellt ist.
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In einer Ausführung weist der Kühlkörper eine integrierte Kühlstruktur einer vorgegebenen Form auf, um eine optimale Wärmeabfuhr bereitzustellen.
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In einer Ausführung umfasst der mindestens eine Leistungshalbleiter mindestens einen für die Ansteuerung von Elektroantrieben geeigneten MOSFET und/oder IGBT und/oder SiC-MOSFET.
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Ferner wird eine Verwendung des Inverters zur Ansteuerung eines Elektroantriebs im Antriebsstrang oder einer Lenkung eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul, das den Inverter aufweist. Außerdem wird ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines durch das vorgeschlagene Herstellungserfahren gebildeten Inverters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Herstellungserfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist das Problem aktueller Leistungselektronik-Anwendungen, ein einfach aufzubauendes, aber skalierbares, robustes und thermisch optimiertes Konzept, d.h. insbesondere Herstellungsverfahren, bereitzustellen.
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Dieses Problem wird durch das vorgeschlagene und nachfolgend im Detail beschriebene Herstellungsverfahren für einen gemoldeten Inverter 100 gelöst.
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Der Inverter 100 weist mindestens einen Leistungshalbleiter 10 auf, der zwischen einer mit weiteren Steuerungselektronik versehenen Leiterplatte 20 und einem Kühlkörper 70 angeordnet ist, und über eine elektrisch isolierende Keramik 30 elektrisch zum Kühlkörper isoliert ist.
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Da der vorgeschlagene Inverter 100 mit diskreten Leistungshalbleitern 10 gebildet ist, die alle mit demselben Herstellungsverfahren hergestellt werden können, erfolgt die Beschreibung nachfolgend der Übersichtlichkeit halber mit Bezug auf lediglich einen Leistungshalbleiter 10.
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Der Leistungshalbleiter 10 ist vorzugsweise als SMD-Bauelement gebildet, so dass er über seine elektrisch leitenden Kontakte in einem Standard SMD-/Reflow-Prozess elektrisch mit der Leiterplatte 20 kontaktiert werden kann (Schritt S1). Um den erfindungsgemäßen Aufbau zu realisieren, ist der Leistungshalbleiter 10 vorzugsweise in einer „reverse“-Ausführung gebildet, d.h. seine Anschlussbeine (elektrisch leitenden Kontakte) sind nach oben bzw. zur Leiterplatte 20 hin gebogen und mit dieser elektrisch kontaktiert, z.B. mittels Löten. Alternativ sind sie mit vorher auf der Leiterplatte 20 z.B. mittels Löten befestigten Stromschienen elektrisch angebunden, z.B. mittels eines Spaltkopflöt- oder eines Schweißprozesses auf die Stromschienen aufgebracht. Stromschienen werden vorteilhaft bei erhöhten Stromanforderungen, z.B. bei >500A verwendet und mit dem Standard SMD-/Reflow-Prozess aufgelötet. Die Leistungshalbleiter 10 können dann im Nachgang auf die Stromschienen und damit die Leiterplatte 20 aufgebracht werden.
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Die Leistungshalbleiter 10 sind für die Anwendung, also die Invertertechnologie, geeignete Leistungshalbleiter 10. Insbesondere sind sie Bauelemente, die in Spannungsklassen von 48V bis 800V oder mehr, und Stromklassen von 50A bis 700A verwendet werden können und als SMD-Bauelemente gebildet. Sie können unterschiedliche Arten an Leistungshalbleitern 10 sein, also z.B. MOSFETs, IGBTs, etc. und aus unterschiedlichen Materialien oder Materialzusammensetzungen gebildet sein, wie z.B. SiC, GaN etc. Der mit dem Herstellungsverfahren hergestellte Inverter wird vorteilhaft im Bereich der Elektromobilität verwendet, also in Elektromotoren zum Antrieb von Komponenten eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
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Auf der Seite des Leistungshalbleiters 10, welche der Leiterplatte 20 gegenüberliegt, ist ein thermisches Pad 11 vorgesehen, das zur Kühlung des Leistungshalbleiters 10 über eine elektrisch isolierende Keramik 30 thermisch an einen Kühlkörper 70 angebunden ist. Somit entsteht ein Wärmeleitpfad vom Leistungshalbleiter 10 über das thermische Pad 11 und die Keramik 30 zum Kühlkörper 70. Das thermische Pad 11 ist an der Keramik 30 über ein metallisches Medium, z.B. mittels einer Lotschicht 40, welche als thermische Anbindung dient, befestigt. Auch hierfür wird bevorzugt der SMD-/Reflow-Prozess verwendet. Vorteilhaft weist die Keramik 30 eine metallische Schicht 31 auf beiden Seiten auf, also sowohl auf der Seite, welche mit dem thermischen Pad 11 verbunden ist, als auch auf der Seite, welche mit dem Kühlkörper 70 verbunden ist. Die Keramik 30 besteht bevorzugt aus Si3N4 oder alternativ aus HALN oder Al2O3. Die metallische Schicht ist bevorzugt aus Kupfer Cu mit einer Schichtdicke 200µm bis 1000µm und kann mit einer Vernickelung als Diffusionssperre bedeckt sein. Die Keramik 30 ist vorteilhaft als flaches Bauteil mit einer vorgegebenen Dicke gebildet. Sie dient zur Ableitung der Wärme vom Leistungshalbleiter 10.
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Die thermische Anbindung der Keramik 30 an den Kühlkörper 70 (Schritt S2) erfolgt über ein metallisches Medium, das vorzugsweise als metallisches, thermisches Interface Material (kurz Metall-TIM 50), also als ein sehr weiches, niederschmelzendes Metall ausgeführt ist, d.h. das Metall schmilzt bereits bei niedrigen Temperaturen von in etwa 80-120 Grad Celsius. Bevorzugt wird hier aufgrund der sehr weichen Eigenschaften Indium In bzw. eine Legierung auf Indium-Basis verwendets. Alternativ kann auch Zinn Sn oder Zinn-100 oder eine Legierung auf Zinn-Basis verwendet werden.
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Der Kühlkörper 70 ist vorzugsweise metallisch und kann eine integrierte Kühlstruktur z.B. in Form von PinFins oder Mäandern aufweisen. Er ist mit einer Wasser oder Kühlflüssigkeit führenden Struktur über eine Abdichtung 71 in bekannter Art und Weise verbunden.
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Der gesamte Aufbau, also die Komponenten Leiterplatte 20 mit Steuerungselektronik und Leistungshalbleiter 10, elektrisch isolierende Keramik 30 und metallischer Kühlkörper 70, werden mittels einer Moldmasse 60, welche in der Regel Epoxid, also ein Duroplast, ist, in einem Moldprozess gekapselt (Schritt S3). Rand-/Kontaktbereiche der Leiterplatte 20 und Bereiche des Kühlkörpers 70 bleiben dabei natürlich frei.
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Die für das niederschmelzende Metall (Metall-TIM 50) notwendige Anpresskraft kann während des Moldprozesses durch Niederdrücken des Mold-Werkzeugs und/oder durch das Material der Moldmasse 60 (Duroplast) selbst aufgrund des Schrumpfens während der Vernetzung ausgeübt werden. Der dabei notwendige Toleranzausgleich zwischen Elektronik, also Leiterplatte 20, Leistungshalbleiter 10 etc., und Kühlkörper 70 geschieht über das Verdrücken des weichen Metall-TIM 50, wie in 1 gut sichtbar (das Metall-TIM 50 wird um die untere metallische Schicht 31 gedrückt). Die Kapselung mit der Moldmasse 60 (Duroplast) schließt zudem das Metall-TIM 50 so ein, dass es die Elektronik nicht kurzschließen kann.
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In einer alternativen Ausführung kann das Metall-TIM 50 auch auf der oberen Seite der Keramik 30 vorgesehen sein, also als thermische Anbindung zwischen Leistungshalbleiter 10 und Keramik 30 über das thermische Pad 11 dienen.
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In einer weiteren alternativen Ausführung kann im Bereich, in dem das Metall-TIM 50 verwendet wird, eine Dichtung vorgesehen sein. Diese kann ein Wegfließen des Metall-TIM 50 während des Moldprozesses verhindern.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das Metall-TIM 50 auf der unteren Seite der Keramik 30 vorgesehen. In diesem Fall kann der Kühlkörper 70 vor dem Moldprozess, also vor dem Verdrücken während des Moldprozesses, aufgewärmt werden, um ein leichteres Verdrücken und besseres Fließen des Metall-TIM 50 zu ermöglichen.
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Um dies zu realisieren, können die Struktur, die entstanden ist, nachdem im zweiten Schritt S2 die obere Seite der Keramik 30 an den Leistungshalbleiter 10 angebunden wurde, sowie der Kühlkörper 70 mit einem darauf platzierten Metall-TIM 50 als separate Einheiten in das Moldwerkzeug eingelegt werden. Dabei wird die Keramik 30 über dem Metall-TIM 50 platziert und bei Bedarf noch eine Dichtung in den Beriech zwischen Kühlkörper 70 und Keramik 30 und um das Metall-TIM 50 angebracht, um ein Weglaufen des im weiteren Prozess erwärmten Metall-TIM 50 zu verhindern. Der Kühlkörper 70 kann vor dem Zusammenführen der beiden Einheiten erwärmt werden, so dass das Metall-TIM 50 weicher wird, um beim Aufdrücken der Keramik 30 besser zu fließen und damit eine bessere Verbindung mit den Oberflächen des gesamten Bauteils einzugehen.
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Alternativ kann der Moldprozess auch so erfolgen, dass das Metall-TIM 50 während des Prozesses geschmolzen wird.
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Durch die Verkapselung mit dem Duroplast 60 kann der Inverter bzw. die Elektronik gesamthaft oder teilweise, gegebenenfalls inklusive Zwischenkreiskondensator, im Fahrzeug im Getriebe im Öl verbaut werden.
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Durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren wird ein einheitliches Konzept mit sehr hoher Skalierbarkeit bereitgestellt, welches eine Verwendung desselben Herstellungsverfahrens über Spannungsklassen von 48V bis 800V oder mehr und über Stromklassen von 50A bis 700A möglich macht. Somit können auch die bisher mittels Inverter-Modulen gelösten Hochvoltanwendungen mit demselben Herstellungsprozess und in SMD-Bauweise wie die z.B. 48V-Inverter hergestellt werden.
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Das Konzept ist ferner unabhängig von der verwendeten Leistungshalbleiter-Technologie. Es ist also nicht relevant, welche Art an Leistungshalbleitern 10, z.B. IGBT, MOSFET, und auch welches Material, z.B. SiC, GaN, verwendet wird.
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Ferner sind eine hohe Integrationsdichte und optimale thermische Anbindung sichergestellt und eine mediendichte Lösung vorhanden, was den Einsatz im Öl möglich macht. Außerdem ist eine hohe thermomechanische und mechanische (Vibration) Zuverlässigkeit gegeben.
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Durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren kann ein Inverter bereitgestellt werden, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird und in einem Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden. Ebenfalls kann der Inverter zur Ansteuerung einer Lenkung verwendet werden.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen und/oder einer Lenkung. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul 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 erzeugen.
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Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, können für Anwendungen im 48V-Bereich oder im Hochvoltbereich, also für aktuell 400V/800V verwendet werden, wobei sie mit oder ohne geringfügige Modifikationen auch für andere Spannungsbereiche verwendbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Inverter
- 10
- Leistungshalbleiter
- 11
- thermisches Pad
- 20
- Leiterplatte
- 30
- Keramik
- 31
- metallische Schicht, evtl. vernickelt
- 40
- Lotschicht
- 50
- Metall-TIM
- 60
- Moldmasse
- 70
- Kühlkörper
- 71
- Abdichtung
