DE102022207435A1 - Leistungselektronikmodul - Google Patents

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Manuel Raimann
Pengshuai Wang
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend eine Leiterplatte zur Anordnung mehrerer Bauelemente des Leistungselektronikmoduls. Entweder sind Leistungshalbleiter und DC und AC Verbindungselemente auf einem organischen Isolator und nebeneinander angeordnet und jeweils mit einem Kühlkörper über den organischen Isolator thermisch und mechanisch verbunden. Oder es sind die DC und AC Verbindungselemente zwischen Leistungshalbleitern und Kühlkörper angeordnet und mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch und mit den Leistungshalbleitern thermisch und elektrisch verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen mittels Brennstoffzellen angetriebenen Elektroantrieb.
  • 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.
  • Um die Energie bereitstellen zu können, ist eine Vielzahl von Elektronikbauteilen nötig, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Leistungshalbleiter können in kompletten Powermodulen oder als diskrete Bauteile verbaut werden. Powermodule haben den Nachteil, dass sie meist relativ groß sind und damit schlecht zu skalieren und aufbaubedingt nur relativ geringe Schaltgeschwindigkeiten zulassen. Diskrete Bauteile haben den Nachteil, dass sie im Vergleich zu Powermodulen meist eine geringe thermische Performance aufweisen.
  • Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungselektronikmodul bereitzustellen, durch welches eine bessere thermische Performance erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend eine Leiterplatte zur Anordnung mehrerer Bauelemente des Leistungselektronikmoduls, von denen mehrere als diskrete Leistungshalbleiter gebildet sind, aufweisend ein Gehäuse, wobei eine erste Seite des Gehäuses dazu eigerichtet ist, eine thermische Anbindung zu einer Oberseite eines Kühlkörpers bereitzustellen, eine weitere Seite dazu eingerichtet ist, an der Leiterplatte befestigt und elektrisch kontaktiert zu werden. Ferner ist ein der ersten Seite der Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Kühlkörper vorgesehen, dessen Oberseite mit der ersten Seite jedes Leistungshalbleiters thermisch angebunden ist, sowie elektrisch leitende DC und AC Verbindungselemente zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter. Im Fall A) ist zwischen den Leistungshalbleitern und dem Kühlkörper eine Metallkernleiterplatte vorgesehen, aufweisend einen Metallkern, eine Isolierungsschicht und eine Metallschicht, wobei die Metallkernleiterplatte derart angeordnet ist, dass die Metallschicht mit dem Kühlkörper verbunden ist, und der Metallkern mit den Leistungshalbleitern verbunden und derart strukturiert ist, dass er als DC und AC Verbindungselemente zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter dient. In einem alternativen Fall B) ist auf der Oberseite des Kühlkörpers eine Schicht aus einem organischen Isolator vorgesehen, und wobei auf dem organischen Isolator ein metallischer Leitungsträger als Anschluss-Rahmen vorgesehen ist, der derart strukturiert ist, dass er als DC und AC Verbindungselemente zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter dient. Entweder sind im Fall B1) die Leistungshalbleiter und die DC und AC Verbindungselemente auf dem organischen Isolator und nebeneinander angeordnet und jeweils mit dem Kühlkörper über den organischen Isolator thermisch und mechanisch verbunden. Oder, im Fall B2), sind die DC und AC Verbindungselemente zwischen Leistungshalbleitern und Kühlkörper angeordnet und mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch und mit den Leistungshalbleitern thermisch und elektrisch verbunden.
  • In einer Ausführung ist die Fläche der DC und AC Verbindungselemente in den Fällen, in denen sie zwischen Leistungshalbleitern und Kühlkörper angeordnet sind, größer ist als die Fläche der darauf angeordneten Leistungshalbleiter.
  • In einer Ausführung sind der Metallkern oder der Anschluss-Rahmen derart strukturiert, dass ein Bereich davon als Masseverbindung dient.
  • In einer Ausführung ist im Fall A) der Metallkern derart strukturiert, dass zwischen DC und AC Verbindungselementen ein bis zur Isolierungsschicht reichender Graben gebildet ist.
  • In einer Ausführung ist die elektrische und/oder die mechanische Verbindung als Löt- oder Sinter-Verbindung ausgeführt.
  • In einer Ausführung ist die thermische Kontaktierung über das Gehäuse der Leistungshalbleiter als flächige Kontaktierung gebildet.
  • In einer Ausführung sind die diskreten Leistungshalbleiter als Halbleiterschalter ausgeführt.
  • Ferner wird ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt, das als ein DC/DC-Wandler, Inverter, Onboardcharger ausgeführt ist.
  • In einer Ausführung ist in Zwischenräumen zwischen Leiterplatte und Kühlkörper eine elektrisch isolierende Moldmasse eingebracht.
  • Ferner wird ein Inverter oder DC/DC-Wandler bereitgestellt, aufweisend das Leistungselektronikmodul. Ferner wird ein Elektroantrieb oder Brennstoffzellenantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend den Inverter oder den DC/DC-Wandler. Ebenfalls wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen mittels einem Elektroantrieb oder Brennstoffzellenantrieb angetriebenen Elektromotor.
  • Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung des Leistungselektronikmoduls bereitgestellt, wobei in einem ersten Schritt im Fall A) in einem Vorabschritt der Metallkern der Metallkernleiterplatte strukturiert wird, und in einem weiteren Schritt die Metallschicht der Metallkernleiterplatte mit dem Kühlkörper verbunden wird und danach die diskreten Leistungshalbleiter mit der Metallkernleiterplatte verbunden werden. Im Fall B1) wird in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen hergestellt, und in einem weiteren Schritt der organische Isolator auf den Kühlkörper aufgebracht und danach werden der Anschluss-Rahmen und die diskreten Leistungshalbleiter zusammen mit dem organischen Isolator durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch verbunden, wobei danach die diskreten Leistungshalbleiter elektrisch mit den DC und AC Verbindungselementen verbunden werden. Im Fall B2) wird in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen hergestellt, und in einem weiteren Schritt wird der organische Isolator auf den Kühlkörper aufgebracht und danach der Anschluss-Rahmen zusammen mit dem organischen Isolator durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch verbunden. Danach werden die diskreten Leistungshalbleiter auf den DC und AC Verbindungselementen angeordnet und damit thermisch und elektrisch verbunden. In einem zweiten Schritt werden die diskreten Leistungshalbleiter sowie weitere Bauteile des Leistungselektronikmoduls elektrisch mit der Leiterplatte kontaktiert, und in einem dritten Schritt erfolgt ein Ausfüllen des Zwischenraums zwischen Leiterplatte und Kühlkörper mit einer elektrisch isolierenden Moldmasse.
  • 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.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Leistungselektronikmoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Leistungselektronikmoduls.
    • 3 und 4 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung alternativer Ausführungen des in 1 gezeigten Leistungselektronikmoduls.
    • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Herstellung des Leistungselektronikmoduls gemäß allen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie bereits erwähnt, ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte thermische Performance für Leistungselektronikmodule zu erreichen, d.h. eine verbesserte Wärmeableitung.
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen zeigen ein AVT- (Aufbau- und Verbindungstechnik) Konzept, welches die Vorteile von Powermodulen, insbesondere gute Kühlung, und die Vorteile von diskreten Bauteilen, insbesondere gute Skalierbarkeit und hohe Schaltgeschwindigkeit, vereint.
  • Um das Konzept ausführen zu können, werden stets diskrete Leistungshalbleiter 6 mit beidseitiger Kontaktierbarkeit verwendet, welche über die mit Bezug zu den in den Figuren beschriebenen Ausführungen an den Kühler 4 des Leistungselektronikmoduls 100 angebunden werden.
  • Diskrete Leistungshalbleiter 6, also Leistungshalbleiter, die bereits mit einem (Standard-) Gehäuse umgeben sind, mit beidseitiger Kontaktierbarkeit sind beispielsweise so gebildet, dass auf einer flachen Seite 61 des Gehäuses eine metallische Fläche aufgebracht ist, welche mit einem Kühlkörper 4 zur besseren Kühlung des Leistungshalbleiters 6 in Kontakt gebracht werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite 62 und/oder einer oder mehreren kurzen Seiten 63 des Gehäuses sind Pins zur elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleiters 6 vorgesehen.
  • Diese diskreten Leistungshalbleiter 6, nachfolgend auch lediglich kurz als Leistungshalbleiter 6 bezeichnet, sind in der Regel als Halbleiterschalter gebildet und wesentlicher Bestandteil eines Leistungselektronikmoduls 100.
  • Gemäß dieser Erfindung vorgeschlagene Leistungselektronikmodule 100 werden im Automobilbereich als DC/DC-Wandler, Inverter (DC/AC), Onboardcharger etc. verwendet. Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung sind DC/DC-Wandler, welche im Rahmen eines Brennstoffzellenantriebs von Kraftfahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen, Anwendung finden.
  • Ein Leistungselektronikmodul 100 weist hierbei, wie in 1 gezeigt, eine Leiterplatte 1 zur Anordnung mehrerer Bauelemente wie Kühlkörper 4, Ansteuer- und Kontaktelemente etc. des Leistungselektronikmoduls 100 auf. Außerdem sind Drosseln 3 und als Y-Cap (Entstörungskondensatoren) ausgeführte Sicherheitskondensatoren 2 und Busbars zur Stromverteilung über AC und/oder DC- Verbindungselemente DC+/DC-, AC vorgesehen. Ferner sind mehrere diskrete (in einem Gehäuse angeordnete) Leistungshalbleiter 6 zwischen den Kondensatoren 2 und den Busbars vorgesehen und mit der Leiterplatte 1 verbunden. Eine Seite 61 des Gehäuses jedes diskreten Leistungshalbleiters 6 ist dabei dazu eigerichtet, eine thermische Anbindung zu einer Oberseite des Kühlkörpers 4 bereitzustellen. Diese Seite 61 ist vorteilhaft eine Seite des Gehäuses mit einer großen Oberfläche, welche mit einem entsprechenden, Wärme ableitenden Material, z.B. Metall, versehen ist und mit dem Metallkern 71 einer Metallkernleiterplatte 7, oder dem organischen Isolator 9 oder dem Lead-Frame 10 der später beschriebenen Ausführungen flächig verbunden wird. Eine weitere Seite (in 2-4 Seite 62) dient wiederum dazu, mit ihren Pins mit der Leiterplatte 1 elektrisch verbunden zu werden, z.B. durch Löten oder Sintern. Eine oder mehrere weitere Seiten 63 können (alternativ oder zusätzlich) z.B. Pins aufweisen, welche aus dem Gehäuse des Leistungshalbleiters 6 geführt sind, um eine elektrische Kontaktierung der Leistungshalbleiter 6 mit elektrisch leitenden AC und/oder DC Verbindungselementen DC+/DC-, AC bereitzustellen, je nach Form des Gehäuses.
  • Ferner weist ein Leistungselektronikmodul 100 mindestens einen der ersten Seite 61 der Leistungshalbleiter 6 gegenüberliegenden Kühlkörper 4 auf, dessen Oberseite mit der ersten Seite 61 jedes Leistungshalbleiters 6 verbunden ist bzw. in Kontakt ist. Der Kühlkörper 4 dient dazu, von den Leistungshalbleitern 6 abgegebene Wärme aufzunehmen und damit die Leistungshalbleiter 6 vor Überhitzung zu schützen.
  • Die Leistungshalbleiter 6 befinden sich also stets zwischen Leiterplatte 1 und Kühlkörper 4.
  • Ferner sind zur elektrischen Energieversorgung elektrisch leitende DC- Verbindungselemente DC-, DC+ bzw. zur Abnahme der im Leistungshalbleiter 6 gewandelten Energie elektrisch leitende AC Verbindungselemente AC vorgesehen. Diese sind mit den Leistungshalbleitern 6 z.B. über deren Pins elektrisch kontaktiert.
  • Um eine verbesserte thermische Anbindung und damit Kühlung der Leistungshalbleiter 6 zu erreichen, werden die vorgeschlagenen unterschiedlichen Konzepte nachfolgend beschrieben.
  • Das erste Konzept ist in 1 und 2 dargestellt und wird als Fall A) bezeichnet. In diesem Fall A) ist zwischen den Leistungshalbleitern 6 und dem Kühlkörper 4 eine isolierte Metallkernleiterplatte 7, kurz IMS, vorgesehen. Metallkernleiterplatten 7 weisen einen Metallkern 71, eine Metallschicht 73 und eine dazwischen angeordnete Isolierungsschicht 72 auf. Wie in 2 in der Schnittdarstellung gezeigt, ist die Metallkernleiterplatte 7 zwischen den Leistungshalbleitern 6 und dem Kühlkörper 4 angeordnet. Dabei ist sie so orientiert, dass die Metallschicht 73 mit dem Kühlkörper 4 verbunden ist, und der Metallkern 71 mit den Leistungshalbleitern 6 verbunden ist. Der Metallkern 71 ist dabei derart strukturiert, dass er als DC- und AC-Verbindungselemente DC-, DC+, AC zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter 6 dient. Zwischen den einzelnen Strukturen des Metallkerns 71, welche als DC- oder als DC+ oder als AC Verbindungselement dienen und mit der entsprechenden Energiequelle (z.B. Brennstoffzelle) bzw. dem entsprechenden Verbraucher (AC ist mit dem Antrieb des Fahrzeugs verbunden) und den Leistungshalbleitern 6 elektrisch kontaktiert sind, sind bis zur Isolierungsschicht 72 reichende Gräben 74 einer vorgegebenen Breite vorgesehen, um die Strukturen elektrisch voneinander zu isolieren. Die Breite der Gräben 74 wird vom Fachmann entsprechend der Anwendung bestimmt. Die Strukturen werden in einem Vorabprozess in die Metallkernleiterplatte 7 eingebracht, also bei deren Herstellung. Prozesstechnisch ist es so einfacher, bis zur Isolierungsschicht 72 reichende und gerade verlaufende Grabenwände zu erzielen.
  • Wie in 2 zu sehen, sind in diesem Fall A) drei Verbindungsebenen 8 vorhanden. Eine Verbindungsebene 8 befindet sich zwischen der Leiterplatte 1 und den Leistungshalbleitern 6, um diese miteinander zu verbinden. Eine weitere Verbindungsebene 8 befindet sich zwischen den Leistungshalbleitern 6 und dem Metallkern 71, um diese miteinander zu verbinden, und eine dritte Verbindungsebene 8 befindet sich zwischen der Metallschicht 73 und dem Kühlkörper 4, um diese miteinander zu verbinden.
  • In einer Ausführung kann die Metallschicht 73 unstrukturiert oder strukturiert sein, je nachdem, welche Option eine bessere Verbindung ermöglicht.
  • Das zweite Konzept ist in 3 und 4 dargestellt und wird als Fall B) bezeichnet, der wiederum in zwei Unterfälle B1) und B2) aufgeteilt werden kann. In diesem Fall B) ist auf der Oberseite des Kühlkörpers 4 eine Schicht aus einem organischen Isolator 9 vorgesehen. Auf dem organischen Isolator 9 ist ein metallischer Leitungsträger 10, auch als Lead-Frame 10 bezeichnet, als Anschluss-Rahmen vorgesehen, der derart strukturiert ist, dass er als DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter 6 dient. Der Lead-Frame 10 weist dieselben Strukturen auf wie der Metallkern 71 der IMS 7, also durch Gräben voneinander getrennte DC- und AC-Verbindungselemente DC-, DC+, AC, sowie Masse GND.
  • Hierbei sind im Fall B1) die Leistungshalbleiter 6 und die DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC auf dem organischen Isolator 9 und nebeneinander angeordnet. Außerdem sind die Leistungshalbleiter 6 und die DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC jeweils über den organischen Isolator 9 durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper 4 thermisch und mechanisch verbunden bzw. daran angebunden. Die Leistungshalbleiter 6 und die DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC sind elektrisch miteinander verbunden, z.B. über Pins der Leistungshalbleiter 6. In diesem Fall B1) ist lediglich eine als Löt- oder Sinterebene gebildete Verbindungsebene 8 vorgesehen, nämlich zwischen der Leiterplatte 1 und den Leistungshalbleitern 6.
  • Im Fall B2) sind die DC- und AC-Verbindungselemente DC-, DC+, AC, d.h. der Lead-Frame 10, im Gegensatz zum Fall B1) zwischen Leistungshalbleitern 6 und Kühlkörper 4 angeordnet und über den organischen Isolator 9 mit dem Kühlkörper 4 thermisch und mechanisch, und mit den Leistungshalbleitern 6 thermisch und elektrisch verbunden. In diesem Fall B2) sind zwei als Löt- oder Sinterebene gebildete Verbindungsebenen 8 vorgesehen, nämlich zwischen der Leiterplatte 1 und den Leistungshalbleitern 6 und zwischen den Leistungshalbleitern 6 und dem Lead-Frame 10. In diesem Fall können die massiven Strukturen der DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC, also der Lead-Frame 10, durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper 4 thermisch und mechanisch verbunden werden, bevor die teils bezüglich mechanischer Belastung empfindlichen Leistungshalbleiter 6 kontaktiert werden.
  • In den in 2 und 4 (Fall A und B2) gezeigten Ausführungen ist es vorteilhaft, wenn die Fläche der Strukturen des Metallkerns 71 bzw. des Lead-Frames 10, welche sich unterhalb der Leistungshalbleiter 6 befinden, größer als die Fläche der Leistungshalbleiter 6 ist. So kann eine Wärmespreizung erreicht werden, d.h. eine Verteilung der Wärme auf die gesamte Fläche der unter den Leistungshalbleitern 6 befindlichen Strukturen des Metallkerns 71 bzw. des Lead-Frames 10, also die DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC. Außerdem kann die Fläche auch zur elektrischen Kontaktierung verwendet werden.
  • In allen Ausführungen werden weitere Bauteile (z.B. Sicherheitskondensatoren 2) mit der Leiterplatte 1 und/oder dem Metallkern 71 bzw. dem Lead-Frame 10 gleichzeitig oder nach Bestückung der Leistungshalbleiter 6 kontaktiert.
  • In allen Ausführungen können die Strukturen, welche die DC und AC Verbindungselemente DC-, DC+, AC bilden, aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall, insbesondere Kupfer, gebildet sein.
  • In allen Ausführungen können die Verbindungsebenen 8 als Lötebene oder als Sinterebene gebildet sein, wobei die unterschiedlichen Ebenen auch unterschiedliche Arten der Verbindung aufweisen können.
  • In allen Ausführungen können weitere Bauteile mit den DC und AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC, der Leiterplatte 1 und dem Kühlkörper 4 verbunden sein. Außerdem sind Bereiche des Metallkerns 71 im Fall A) bzw. des Lead-Frames 10 in Fall B) gebildet, um Masse GND bereitzustellen und Bauteile zu kontaktieren.
  • In allen Ausführungen kann im Bereich zwischen der Leiterplatte 1 und dem Kühlkörper 4 eine elektrisch isolierende Masse vorgesehen sein, die auch als Wärmeableitung dienen kann. Eine solche Moldmasse 5 kann ein Harz oder eine andere Moldmasse sein. Die Moldmasse 5 fließt dabei in alle freien Bereiche, also auch in die Gräben 74 zwischen DC und AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC und DC bzw. AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC und Masse GND und zwischen DC bzw. AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC und Leistungshalbleitern 6.
  • Durch die vorgeschlagene stoffschlüssige Anbindung der Leistungshalbleiter 6 an den Kühlkörper 4 über die IMS 7 bzw. den Lead-Frame 10 kann eine verbesserte Kühlung der Leistungshalbleiter 6 erreicht werden.
  • In 5 wird das Verfahren zur Herstellung des Leistungselektronikmoduls schematisch angedeutet. In einem ersten Schritt S1 wird im Fall A) in einem Vorabschritt der Metallkern 71 der Metallkernleiterplatte 7; 71-73 strukturiert, und in einem weiteren Schritt wird die Metallschicht 73 der Metallkernleiterplatte 7; 71-73 mit dem Kühlkörper 4 verbunden und danach werden die diskreten Leistungshalbleiter 6 mit der Metallkernleiterplatte 7; 71-73 verbunden. Im Fall B1) wird in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen 10 hergestellt, und in einem weiteren Schritt der organische Isolator 9 auf den Kühlkörper 4 aufgebracht und danach werden der Anschluss-Rahmen 10 und die diskreten Leistungshalbleiter 6 zusammen mit dem organischen Isolator 9 durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper 4 thermisch und mechanisch verbunden, wobei danach die diskreten Leistungshalbleiter 6 elektrisch mit den DC und AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC verbunden werden. Im Fall B2) wird in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen 10 hergestellt, und in einem weiteren Schritt wird der organische Isolator 9 auf den Kühlkörper 4 aufgebracht und danach der Anschluss-Rahmen 10 zusammen mit dem organischen Isolator durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch verbunden. Danach werden die diskreten Leistungshalbleiter 6 auf den DC und AC Verbindungselementen DC-, DC+, AC angeordnet und damit thermisch und elektrisch verbunden.
  • In einem zweiten Schritt S2 werden die diskreten Leistungshalbleiter 6 sowie weitere Bauteile 2 des Leistungselektronikmoduls 100 elektrisch mit der Leiterplatte 1 kontaktiert, und in einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Ausfüllen des Zwischenraums zwischen Leiterplatte 1 und Kühlkörper 4 mit einer elektrisch isolierenden Moldmasse 5.
  • Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektromotors eines mittels Akkumulator Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul 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 Leistungselektronikmodul 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. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
  • DC/DC-Wandler und Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Leistungselektronikmodul
    1
    Leiterplatte
    2
    Kondensator, Sicherheitskondensator, Y-Cap
    3
    Drossel
    4
    Kühlkörper
    5
    Moldmasse
    DC+/DC-
    elektrisch leitende DC Verbindungselemente
    AC
    elektrisch leitende AC Verbindungselemente
    GND
    Masse
    6
    diskrete Leistungshalbleiter
    61
    erste Seite
    62
    zweite Seite
    63
    dritte Seite
    7
    Metallkernleiterplatte
    71
    erste Schicht, Metallkern
    72
    zweite Schicht, Isolierungsschicht
    73
    dritte Schicht, Metallschicht
    74
    Graben in 71 zwischen DC/AC
    8
    Verbindungsebene (Löten, Sintern etc.)
    9
    Organischer Isolator
    10
    Lead-Frame

Claims (13)

  1. Leistungselektronikmodul (100), aufweisend - eine Leiterplatte (1) zur Anordnung mehrerer Bauelemente (6, 2) des Leistungselektronikmoduls, von denen mehrere als diskrete Leistungshalbleiter (6) gebildet sind, aufweisend ein Gehäuse, wobei eine erste Seite (61) des Gehäuses dazu eigerichtet ist, eine thermische Anbindung zu einer Oberseite eines Kühlkörpers (4) bereitzustellen, eine weitere Seite (62, 63) dazu eingerichtet ist, an der Leiterplatte (1) befestigt und elektrisch kontaktiert zu werden, - einen der ersten Seite (61) der Leistungshalbleiter (6) gegenüberliegenden Kühlkörper (4), dessen Oberseite mit der ersten Seite (61) jedes Leistungshalbleiters (6) thermisch angebunden ist, - elektrisch leitende DC- und AC-Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter (6), wobei - im Fall A) zwischen den Leistungshalbleitern (6) und dem Kühlkörper (4) eine Metallkernleiterplatte (7; 71-73) vorgesehen ist, aufweisend einen Metallkern (71), eine Isolierungsschicht (72) und eine Metallschicht (73), wobei die Metallkernleiterplatte (7; 71-73) derart angeordnet ist, dass die Metallschicht (73) mit dem Kühlkörper (4) verbunden ist, und der Metallkern (71) mit den Leistungshalbleitern (6) verbunden und derart strukturiert ist, dass er als DC und AC Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter (6) dient, oder wobei - im Fall B) auf der Oberseite des Kühlkörpers (4) eine Schicht aus einem organischen Isolator (9) vorgesehen ist, und wobei auf dem organischen Isolator (9) ein metallischer Leitungsträger (10) als Anschluss-Rahmen vorgesehen ist, der derart strukturiert ist, dass er als DC und AC Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter (6) dient, wobei entweder - im Fall B1) die Leistungshalbleiter (6) und die DC und AC Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) auf dem organischen Isolator (6) und nebeneinander angeordnet sind und jeweils mit dem Kühlkörper (4) über den organischen Isolator (9) thermisch und mechanisch verbunden sind, oder - im Fall B2) die DC und AC Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) zwischen Leistungshalbleitern (6) und Kühlkörper (4) angeordnet und mit dem Kühlkörper (4) thermisch und mechanisch und mit den Leistungshalbleitern (6) thermisch und elektrisch verbunden sind.
  2. Leistungselektronikmodul (100) nach Anspruch 1, wobei die Fläche DC und AC Verbindungselemente (DC-, DC+, AC) in den Fällen, in denen sie zwischen Leistungshalbleitern (6) und Kühlkörper (4) angeordnet sind, größer ist als die Fläche der darauf angeordneten Leistungshalbleiter (6).
  3. Leistungselektronikmodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallkern (71) oder der Anschluss-Rahmen derart strukturiert sind, dass ein Bereich davon als Masseverbindung (GND) dient.
  4. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fall A) der Metallkern (71) derart strukturiert ist, dass zwischen DC und AC Verbindungselementen (DC-, DC+, AC) ein bis zur Isolierungsschicht (72) reichender Graben (74) vorgesehen ist.
  5. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische und/oder die mechanische Verbindung als Löt- oder Sinter-Verbindung ausgeführt ist.
  6. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Kontaktierung über das Gehäuse der Leistungshalbleiter (6) als flächige Kontaktierung gebildet ist.
  7. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die diskreten Leistungshalbleiter (6) als Halbleiterschalter ausgeführt sind.
  8. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als ein DC/DC-Wandler, Inverter, Onboardcharger ausgeführt ist.
  9. Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Zwischenräumen zwischen Leiterplatte (1) und Kühlkörper (4) eine elektrisch isolierende Moldmasse (5) eingebracht ist.
  10. Inverter oder DC/DC-Wandler, aufweisend ein Leistungselektronikmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Elektroantrieb oder Brennstoffzellenantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend einen Inverter oder einen DC/DC-Wandler nach Anspruch 10.
  12. Kraftfahrzeug, aufweisend einen mittels einem Elektroantrieb oder Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 11 angetriebenen Elektromotor.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikmoduls (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei • in einem ersten Schritt (S1) - im Fall A) in einem Vorabschritt der Metallkern (71) der Metallkernleiterplatte (7; 71-73) strukturiert wird, und in einem weiteren Schritt die Metallschicht (73) der Metallkernleiterplatte (7; 71-73) mit dem Kühlkörper (4) verbunden wird und danach die diskreten Leistungshalbleiter (6) mit der Metallkernleiterplatte (7; 71-73) verbunden werden, - im Fall B1) in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen hergestellt wird, und in einem weiteren Schritt der organische Isolator (9) auf den Kühlkörper (4) aufgebracht und danach der Anschluss-Rahmen und die diskreten Leistungshalbleiter (6) zusammen mit dem organischen Isolator (9) durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper (4) thermisch und mechanisch verbunden werden, wobei danach die diskreten Leistungshalbleiter (6) elektrisch mit den DC und AC Verbindungselementen (DC-, DC+, AC) verbunden werden, - im Fall B2) in einem Vorabschritt der Anschluss-Rahmen hergestellt wird, und in einem weiteren Schritt der organische Isolator (9) auf den Kühlkörper (4) aufgebracht und danach der Anschluss-Rahmen zusammen mit dem organischen Isolator (9) durch Druck und Temperatur mit dem Kühlkörper (4) thermisch und mechanisch verbunden werden, und danach die diskreten Leistungshalbleiter (6) auf den DC und AC Verbindungselementen (DC-, DC+, AC) angeordnet und damit thermisch und elektrisch verbunden werden, und • in einem zweiten Schritt (S2) die diskreten Leistungshalbleiter (6) sowie weitere Bauteile (2) des Leistungselektronikmoduls (100) elektrisch mit der Leiterplatte (1) kontaktiert werden, und • in einem dritten Schritt (S3) ein Ausfüllen des Zwischenraums zwischen Leiterplatte (1) und Kühlkörper (4) mit einer elektrisch isolierenden Moldmasse (5) erfolgt.
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