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Die Erfindung betrifft eine Isolationsanordnung für ein Leistungsmodul. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Leistungsmodul mit einer solchen Isolationsanordnung.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Leistungsmodule werden in der Regel mit keramischen Substraten hergestellt, welche die elektrische Isolation mit einer gleichzeitigen guten Wärmeleitfähigkeit kombinieren. Als Nachteil kann dabei der aufwendige Aufbau und die aufwendige Verbindungstechnik sowie die eingeschränkte Substratausnutzung angesehen werden.
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Aus der
DE 10 2012 216 257 A1 ist eine Leiterplatte mit wenigstens einem Bauelement, insbesondere einem elektronischen Bauelement bekannt. Das Bauelement ist ausgebildet, Wärme, insbesondere Verlustwärme, zu erzeugen. Die Leiterplatte weist auch wenigstens eine Substratschicht und wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Bevorzugt ist die Substratschicht in ihrer flachen Erstreckung mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden. Hierbei weist die Leiterplatte eine Wärmeleitschicht auf, welche ausgebildet und angeordnet ist, Wärme von dem Bauelement aufzunehmen. Die Wärmeleitschicht ragt mit einem Endabschnitt über einen Leiterplattenrand der Leiterplatte
hinaus, wobei der Endabschnitt mit einer Wärmesenke wärmeleitend verbunden ist. Die Wärmesenke ist wenigstens teilweise durch einen Kühlkörper und/oder durch ein wärmeleitfähiges Gehäuse gebildet.
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Aus der
DE 10 2011 005 669 A1 ist eine Wärmeleitfolie für die Entwärmung und Fixierung elektronischer Bauelemente bekannt. Ein Beispiel einer derartigen Wärmeleitfolie umfasst mindestens einen diskreten Entwärmungsbereich und mindestens einen diskreten Fixierungsbereich. Diese Bereiche erstrecken sich jeweils flächig in einer Ebene der Folie. Dabei hat der Entwärmungsbereich eine bessere Wärmeleitungseigenschaft als der Fixierungsbereich, und der Fixierungsbereich hat eine bessere Fixierungseigenschaft als der Entwärmungsbereich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Isolationsanordnung für ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die mehrlagige flexible Leiterplatte ein einfaches, aber funktional umfangreiches multifunktionales organisches Substrat, bei gleichzeitiger Vereinfachung der Fertigungsprozesse zur Verfügung gestellt wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Isolationsanordnung für ein Leistungsmodul, mit einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte zur Verfügung, welche eine zwischen zwei lötbaren und/oder sinterbaren thermisch leitenden Leiterschichten angeordnete thermisch leitende Isolierschicht und zwei elektrisch isolierende Abdeckschichten umfasst. Die Abdeckschichten sind jeweils auf einer der Leiterschichten aufgebracht und bilden eine Abschlussfläche der flexiblen Leiterplatte aus. Hierbei weisen die Abdeckschichten jeweils eine Aussparung auf, welche jeweils eine Kontaktfläche der korrespondierenden Leiterschicht freilassen.
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Zudem wird ein Leistungsmodul mit mindestens einem auf einer mehrlagigen Leiterplatte angeordneten oberflächenmontierten Leistungsbauelement und mindestens einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des mindestens einen Leistungsbauelements vorgeschlagen. Mindestens ein in die Leiterplatte eingebrachtes Einlegteil bildet im Bereich des mindestens einen Leistungsbauelements einen Wärmdurchgang durch die Leiterplatte aus. Im Bereich des mindestens einen Einlegteils ist mindestens eine erfindungsgemäße Isolationsanordnung zwischen der Leiterplatte und der Kühlvorrichtung angeordnet. Hierbei ist eine erste Kontaktfläche einer ersten Leiterschicht der flexiblen Leiterplatte thermisch mit einer ersten Kontaktfläche des mindestens einen Einlegteils der Leiterplatte gekoppelt, und eine zweite Kontaktfläche einer zweiten Leiterschicht der flexiblen Leiterplatte ist thermisch mit einem Kontaktbereich der Kühlvorrichtung gekoppelt.
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Um die elektrische Isolation und die gleichzeitige gute Wärmleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, ist die Dicke bzw. Stärke der thermisch leitenden Isolierschicht entsprechend auszuwählen. Für die gute Wärmleitung sollte die Dicke bzw. Stärke der thermisch leitenden Isolierschicht so dünn wie möglich sein, für die elektrische Isolation sollte die thermisch leitende Isolierschicht je nach Spannungsanforderung eine entsprechende Dicke haben.
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Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leistungsmodul basieren auf der mehrlagigen Leiterplatte, auf welcher im Bereich des mindestens einen Einlegteils, welches den Wärmdurchgang durch die Leiterplatte ausbildet, mindestens ein oberflächenmontiertes Leistungsbauelement als Einzelbauelement oder mehre zu einer Bauelementgruppe zusammengefasste Leistungsbauelemente, wie beispielsweise eine B6-Brücke oder Ähnliches, angeordnet ist. Das mindestens eine Einlegteil kann vorzugsweise als rundes oder eckiges Kupfereinlegeteil ausgeführt und an die Abmessungen des mindestens einen oberflächenmontierten Leistungsbauelements angepasst sein. Bei mehreren oberflächenmontierten Leistungsbauelementen wird im Grunde nur das Substrat der flexiblen Leiterplatte erweitert. Da die Strukturen auf der flexiblen Leiterplatte ätztechnisch erzeugt werden, ist eine elektrische Isolation der einzelnen Leistungsbauelemente zueinander ohne weiteres möglich. Die Ausführung als Kupfereinlegeteil ermöglicht einen verlustarmen Wärmedurchgang durch die Leiterplatte mit einem sehr kleinen thermischen Widerstand (Rth << 0,5Kj(W)).
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Isolationsanordnung für ein Leistungsmodul und des im unabhängigen Patentanspruch 9 angegebenen Leistungsmoduls möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass eine erste Verbindungsschicht in eine erste Aussparung einer ersten Abdeckschicht eingebracht sein kann und eine erste Kontaktfläche einer ersten Leiterschicht kontaktiert. Zudem kann eine zweite Verbindungsschicht in eine zweite Aussparung einer zweiten Abdeckschicht eingebracht sein und eine zweite Kontaktfläche einer zweiten Leiterschicht kontaktieren. Hierbei können die erste Verbindungsschicht und/oder die zweite Verbindungsschicht als Lotschicht oder als Sinterschicht oder als thermische Leitmaterialschicht ausgeführt sein. So kann beispielsweise die erste Verbindungsschicht die erste Kontaktfläche der ersten Leiterschicht der Isolationsanordnung thermisch mit der ersten Kontaktfläche des Einlegteils der Leiterplatte des Leistungsmoduls kontaktieren. Die zweite Verbindungsschicht kann beispielsweise die zweite Kontaktfläche der zweiten Leiterschicht der Isolationsanordnung thermisch mit dem Kontaktbereich der Kühlvorrichtung kontaktieren. Hierbei kann die erste Leiterschicht der Isolationsanordnung in einem Reflowprozess mit der Leiterplatte und dem mindestens einen Einlegteil verlötet werden. Alternativ kann die erste Leiterschicht der Isolationsanordnung mit der Leiterplatte und dem mindestens einen Einlegteil gesintert werden. Die zweite Leiterschicht der Isolationsanordnung kann über das aufgebrachte thermische Leitmaterial, wie beispielsweise Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder Ähnliches mit der Kühlvorrichtung verbunden werden. Alternativ kann die zweite Leiterschicht auch direkt mit dem Kontaktbereich der Kühlvorrichtung verlötet und/oder gesintert werden, wenn die Fügepartner entsprechend gestaltet sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Isolationsanordnung kann die Isolierschicht als Polyimidschicht ausgeführt sein. Polyimidmaterialien sind Hochleistungskunststoffe, welche eine hohe Gebrauchstemperatur von über 150 Grad und zusätzlich noch ein sehr gute elektrische Isolationseigenschaft von 320 bis 380 Volt pro Mikrometer Schichtdicke aufweisen. Für die Anwendung können verschiedene Schichtdicken von beispielsweise 5µm, 9µm, 12,5µm, 25µm umgesetzt werden. Das bedeutet, dass mit einer Polyimidschicht mit einer Dicke von 5µm elektrische Isolationen von über 1000 Volt möglich sind und ein thermische Widerstand von ca. 0,6K/W erreichbar ist. Selbst mit den Dicken von 9µm oder 12,5µm ist ein thermischer Widerstand erreichbar, welcher kleiner als 1K/W ist. Daher sind Polyimidmaterialien für Anwendungen in einem Leistungsmodul besonders gut geeignet. Zudem ermöglichen Polyimidmaterialien einen einfachen Aufbau der flexiblen Leiterplatte und eine einfache Verbindungstechnik und somit eine kostengünstige Fertigung der Isolationsanordnung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Isolationsanordnung können die Leiterschichten jeweils als Kupferschicht ausgeführt sein. Aufgrund des kleinen thermischen Widerstands (Rth << 0,5K/(W)) und die gute Lötbarkeit ist Kupfer besonders gut für Anwendung in der Isolationsanordnung geeignet. Vorzugsweise können die einzelnen Kupferschichten jeweils in die Polyimidschicht auflaminiert sein, so dass ein kleberloser Polyimid-Kupfer-Systemverbund entsteht. Dies führt im Gegensatz zu einem normalen kleberbasierenden Polyimid-Kupfer-Systemverbund nicht zu einer unerwünschten Erhöhung des thermischen Widerstandes.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Isolationsanordnung können die Abdeckschichten jeweils als kombinierte Polyimid-Kleberschicht ausgeführt sein. Dadurch kann eine einfache Vorfixierung der Isolationsanordnung an der Leiterplatte oder an der Kühlvorrichtung umgesetzt werden. Zudem können die Abdeckschichten die Kriechstrecke zwischen der Leiterplatte und der Kühlvorrichtung verlängern und die mechanische Festigkeit der Isolationsanordnung erhöhen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Isolationsanordnung.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Isolationsanordnung aus 1 ohne Verbindungsschichten.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Isolationsanordnung aus 1 mit aufgebrachten Verbindungsschichten.
- 4 zeigt eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Isolationsanordnung aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1 eine mehrlagige Leiterplatte 5, auf welcher mindestens ein oberflächenmontiertes Leistungsbauelement 3 angeordnet ist, und mindestens eine Kühlvorrichtung 20 zur Kühlung des mindestens einen Leistungsbauelements 3. Hierbei bildet mindestens ein in die Leiterplatte 5 eingebrachtes Einlegteil 7 im Bereich des mindestens einen Leistungsbauelements 3 einen Wärmdurchgang durch die Leiterplatte 5 aus. Im Bereich des mindestens einen Einlegteils 7 ist mindestens eine erfindungsgemäße Isolationsanordnung 10 zwischen der mehrlagigen Leiterplatte 5 und der Kühlvorrichtung 20 angeordnet.
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Wie aus 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Isolationsanordnung 10 für ein Leistungsmodul 1 eine mehrlagige flexible Leiterplatte 11, welche eine zwischen zwei lötbaren und/oder sinterbaren thermisch leitenden Leiterschichten 14 angeordnete thermisch leitende Isolierschicht 12 und zwei elektrisch isolierende Abdeckschichten 19 umfasst. Die Abdeckschichten 19 sind jeweils auf einer der Leiterschichten 14 aufgebracht und bilden eine Abschlussfläche der flexiblen Leiterplatte 11 aus. Hierbei weisen die Abdeckschichten 19 jeweils eine Aussparung 19.1, 19.2 auf, welche jeweils eine Kontaktfläche 14.1, 14.2 der korrespondierenden Leiterschicht 14 freilassen.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 eine erste Kontaktfläche 14.1 einer ersten Leiterschicht 14A der flexiblen Leiterplatte 11 thermisch mit einer ersten Kontaktfläche 7.1 des mindestens einen Einlegteils 7 der Leiterplatte 5 gekoppelt. Eine zweite Kontaktfläche 14.2 einer zweiten Leiterschicht 14B der flexiblen Leiterplatte 11 ist thermisch mit einem Kontaktbereich 22 der Kühlvorrichtung 20 gekoppelt. Die Kühlvorrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Wasserkühlvorrichtung 20A ausgeführt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 umfasst die Leiterplatte 5 nur ein als Kupfereinlegeteil 7A ausgeführtes Einlegeteil 7 und mehrere Leiterbahnen 8 und Durchkontaktierungen 9. Zudem ist nur ein oberflächenmontiertes Leistungsbauelement 3 auf der Leiterplatte 5 angeordnet. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist das Leistungsbauelement 3 an seiner Unterseite eine Kontaktfläche 3.1 auf, welche über eine Lotschicht elektrisch und thermisch mit einer zweiten Kontaktfläche 7.2 des Einlegeteils 7 kontaktiert ist. Zudem ist das Leistungsbauelement 3 über mindestens ein weiteres Kontaktelement 3.2 und eine Lotschicht elektrisch mit einer Leiterbahn 8 verbunden.
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Bei einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 umfasst die Leiterplatte 5 mehrere oberflächenmontierten Leistungsbauelemente 3, welche jeweils auf einem Einlegeteil 7 angeordnet und elektrisch und thermisch mit zweiten Kontaktflächen 7.2 der Einlegeteile 7 kontaktiert sind.
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Wie aus 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, ist eine erste Verbindungsschicht 16 in eine erste Aussparung 19.1 einer ersten Abdeckschicht 19A eingebracht und kontaktiert eine erste Kontaktfläche 14.1 einer ersten Leiterschicht 14A. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 ist die erste Verbindungsschicht 16 der Isolationsanordnung 10 als Lotschicht ausgeführt und kontaktiert die erste Kontaktfläche 14.1 der ersten Leiterschicht 14A der flexiblen Leiterplatte 11 thermisch mit der ersten Kontaktfläche 7.1 des Einlegteils 7 der Leiterplatte 5 des Leistungsmoduls 1.
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Eine zweite Verbindungsschicht 18 ist in eine zweite Aussparung 19.2 einer zweiten Abdeckschicht 19B eingebracht und kontaktiert eine zweite Kontaktfläche 14.2 einer zweiten Leiterschicht 14B. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Leistungsmoduls 1 ist die zweite Verbindungsschicht 18 als thermische Leitmaterialschicht 18A ausgeführt und kontaktiert die zweite Kontaktfläche 14.2 der zweiten Leiterschicht 14B der flexiblen Leiterplatte 11 thermisch mit dem Kontaktbereich 22 der Kühlvorrichtung 20.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, ist die erste Aussparung 19.1 in der ersten Abdeckschicht 19A an die Form des Einlegeteils 7 angepasst und weist eine „ovale“ bzw. runde Form auf. Alternativ können die erste Aussparung 19.1 und das Einlegteil 7 auch kreisrund oder eckig ausgeführt sein. Die zweite Aussparung 19.2 in der zweiten Abdeckschicht 19B ist an die Form des Kontaktbereichs 22 der Kühlvorrichtung 20 angepasst und weist eine rechteckige Form auf. Alternativ können die zweite Aussparung 19.2 und der Kontaktbereich auch oval, kreisrund oder eckig ausgeführt sein.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Isolierschicht 12 als Polyimidschicht 12B ausgeführt. Die Leiterschichten 14 sind jeweils als Kupferschicht 15 ausgeführt, wobei die einzelnen Kupferschichten 15 jeweils direkt in die Polyimidschicht 12B laminiert sind. Die Abdeckschichten 19 sind jeweils als kombinierte Polyimid-Kleberschicht ausgeführt. Die Abdeckschichten 19 erhöhen die mechanische Festigkeit der Isolationsanordnung 10 und verlängern die Kriechstrecke zwischen der Leiterplatte 5 und der Kühlvorrichtung 20. Da eine gute Wärmleitfähigkeit für die kombinierte Polyimid-Kleberschicht nicht so wichtig ist, kann ein kostengünstigeres Polyimidmaterial verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216257 A1 [0003]
- DE 102011005669 A1 [0004]
