DE102022207525A1 - Leistungsmodul und Verfahren zur Herstellung desselben, Stromrichter mit einem Leistungsmodul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (100), das einen Kühler (102), eine auf einer Oberfläche des Kühlers vorgesehene Isolierschicht (104), eine auf der Isolierschicht vorgesehene Leiterschichtstruktur (106A, 106B, 106C) und eine Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen (108A, 108B, 108C) mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei die Oberseite zum Bilden eines elektrischen Anschlusses für ein elektronisches Bauelement (110, 112) und die Unterseite zum direkten Kontaktieren der Leiterschichtstruktur (106A, 106B, 106C) konfiguriert sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls (100) sowie einen Stromrichter mit einem solchen Leistungsmodul.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls (100) sowie einen Stromrichter mit einem solchen Leistungsmodul.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Leistungselektronik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungsmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Stromrichter, insb. einen Inverter oder einen Gleichspannungswandler, mit einem Leistungsmodul.
-
US 2017/154877 A1 beschreibt ein Leistungsmodul mit mehreren Isolierschichten zwischen Kühler und elektronischen Bauelementen. Diese Struktur nimmt viel Platz auf und ist auch hinsichtlich Wärmeleitung und damit verbundener Kühleffizienz verbesserungsfähig. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Leistungsmodul mit verbesserter Kühleffizienz bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul beschrieben, das aufweist:
- - einen Kühler mit einer Oberfläche,
- - eine elektrisch isolierende (und thermisch leitende) Isolierschicht, die auf der Oberfläche des Kühlers gebildet ist,
- - eine elektrisch leitende Leiterschichtstruktur, die auf einer dem Kühler abgewandten Seite der Isolierschicht gebildet ist, und
- - eine Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite, wobei die jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente über deren jeweilige Unterseite (direkt) auf der Leiterschichtstruktur angeordnet sind und mit der Leiterschichtstruktur (direkt bzw. lediglich über elektrisch und thermisch leitende stoffschlüssige Verbindungen) elektrisch und thermisch (leitend) verbunden sind,
- - Halbleiterbauelemente, die jeweils auf der Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente angeordnet sind und (direkt bzw. lediglich über elektrisch und thermisch leitende stoffschlüssige Verbindungen) mit den jeweiligen Wärme- und Stromleitelementen elektrisch und thermisch (leitend) verbunden sind.
- Dem beschriebenen Leistungsmodul liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein direkter Kontakt zwischen der Unterseite der auch als Wärmeverteiler dienenden Wärme- und Stromleitelemente und eine direkt auf dem Kühler vorgesehenen Leiterschichtstruktur eine sehr effiziente Wärmeleitung und somit gute Kühleffizienz in einer kompakten Struktur ermöglicht.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem organischen elektrisch isolierenden Material oder einem keramischen elektrisch isolierenden Material, gebildet.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leiterschichtstruktur aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material oder einem Metall oder Kupfer gebildet.
- Bspw. sind die Isolierschicht und die Leiterschichtstruktur bzw. die hiervon gebildeten elektrischen Kontaktflächen und ggf. auch Leiterbahnen Teil des Kühlers. Halbleiterbauelemente können auf dieser Leiterschichtstruktur direkt oder über einen Träger, der mit den Halbleiterbauelementen bestückt ist, befestigt werden, insbesondere nachdem die Isolierschicht und die Leiterschichtstruktur auf dem Kühler befestigt wurde. Ein ggf. vorhandener Träger zwischen den Halbleiterbauelementen und dem Hauptkörper des Kühlers ist nicht Teil des Kühlers; vielmehr ist ein derartiger Träger (bzw. das Halbleiterbauelement selbst) auf der Leiterschichtstruktur des Kühlers, die von der Isolierschicht des Kühlers getragen wird, ein Element, das auf dem Kühler angeordnet wird. Der Kühler mit Leiterschichtstruktur und Isolierschicht kann als eigenes Bauteil zur Entwärmung vorgesehen sein und eingerichtet sein, die Halbleiterbauelemente wie erwähnt zu tragen.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Wärme- und Stromleitelemente über die Unterseite auf die Leiterschichtstruktur aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Halbleiterbauelemente jeweils auf die Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt.
- Die Isolierschicht und die Leiterschichtstruktur können somit zusammen eine Leiterplattenähnliche Oberflächenstruktur des Kühlers bereitstellen, auf welcher die Wärme- und Stromleitelemente direkt montiert, z. B. aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt werden können.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Leiterschichtstruktur eine Mehrzahl von Flächen auf, die voneinander körperlich und somit elektrisch getrennt sind. Insbesondere sind die Flächen rechteckig, dreieckig, ellipsenförmig, kreisförmig geformt oder bestehenden aus einem oder mehreren Polygonen.
- Jede Fläche hat vorzugsweise eine Form und Größe, die mit der Form und Größe der Unterseite von zumindest einem der Wärme- und Stromleitelemente übereinstimmen bzw. in deren jeweilige korrespondierende Umfänge lediglich geringfügig größer sind.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf jeder der Flächen jeweils mindestens ein Wärme- und Stromleitelement angeordnet, der mit der jeweiligen Fläche elektrisch und thermisch (leitend) verbunden ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Flächen in Dreiergruppen angeordnet. Dabei bilden (bzw. stellen bereit) die drei Flächen der jeweiligen Dreiergruppe jeweils einen Minusstromanschluss, einen Phasenstromanschluss bzw. einen Plusstromanschluss des Leistungsmoduls bzw. einer Schaltbrücke.
- Jede Flächen-Dreiergruppe bildet bspw. drei elektrische Kontaktflächen einer Schaltbrücke zum Kontaktieren der Wärme- und Stromleitelemente.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Wärme- und Stromleitelemente platten- oder blockförmig gebildet. Insb. sind die Wärme- und Stromleitelemente aus einem Kupferblech ausgestanzt oder ausgeschnitten.
- Die Wahl zwischen relativ dünnen plattenförmigen Wärme- und Stromleitelementen oder relativ dickeren blockförmigen Wärme- und Stromleitelementen hängt von den Gegebenheiten, insbesondere der benötigten Wärmeleitung und -verteilung ab.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Wärme- und Stromleitelemente in Dreiergruppen angeordnet. Dabei bilden (bzw. stellen bereit) die drei Wärme- und Stromleitelemente der jeweiligen Dreiergruppe jeweils einen Minusstromanschluss, einen Phasenstromanschluss bzw. einen Plusstromanschluss des Leistungsmoduls.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Leistungsmodul ferner elektrisch (und auch thermisch) leitende Abstandshalter auf, die jeweils auf die Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt sind. Die Abstandshalter sind eingerichtet, elektrische Verbindungen zwischen den Wärme- und Stromleitelementen einerseits und externen elektrischen Kontaktpartnern, wie z. B. Stromanschlussschienen (auf Englisch „Bus bars“), des Leistungsmoduls andererseits herzustellen und zugleich räumlichen Abstand zwischen den Wärme- und Stromleitelementen einerseits und den externen elektrischen Kontaktpartnern andererseits herzustellen bzw. sicherzustellen. Dabei sind die Abstandshalter bspw. blockförmig öder säulenförmig gebildet.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Kühler einen Kühlkörper und/oder einen Flüssigkeitskühler, insbesondere einen aktiven Flüssigkeitskühler auf.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Leistungsmoduls beschrieben.
- Gemäß dem Verfahren wird ein Kühler bereitgestellt (Schritt (a)). Auf einer Oberfläche des Kühlers wird eine elektrische Isolierschicht gebildet (Schritt (b)). Auf einer dem Kühler abgewandten Seite der Isolierschicht wird eine elektrisch leitende Leiterschichtstruktur gebildet (Schritt (c)). Eine Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen (108A, 108B, 108C) mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite wird bereitgestellt (Schritt (d)). Die Wärme- und Stromleitelemente werden auf eine dem Kühler abgewandte Seite Leiterschichtstruktur. Dabei werden die Wärme- und Stromleitelemente über deren jeweilige Unterseite auf die Leiterschichtstruktur aufgelegt und mit der Leiterschichtstruktur elektrisch und thermisch verbunden (Schritt (e)). Anschließend werden Halbleiterbauelemente bereitstellt und auf die jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente angeordnet. Dabei werden die Halbleiterbauelemente jeweils auf die jeweiligen korrespondierenden Wärme- und Stromleitelemente angeordnet und mit den jeweiligen Wärme- und Stromleitelementen elektrisch und thermisch verbunden (Schritt (f)).
- Das beschriebene Verfahren basiert im Wesentlichen auf der gleichen Idee wie das oben Leistungsmodul gemäß dem ersten Aspekt und stellt insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls bereit. Dabei können insbesondere die Schritte (b) und (c) in verschiedener Art und Weise durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Material bestehend aus Isoliermaterial und Leitermaterial auf die Oberfläche des Kühlers aufgebracht und die Leiterschichtstruktur durch gezieltes Entfernen von Leitermaterial bereitgestellt werden. Alternativ kann die Isolierschicht erst auf die Oberfläche des Kühlers aufgebracht und die Leiterschichtstruktur danach durch Aufbringen von Leitermaterial auf die Isolierschicht erstellt werden.
- Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Stromrichter, insb. ein Inverter oder ein Gleichspannungswandler, mit einem Leistungsmodul gemäß dem ersten Aspekt beschrieben. Der Stromrichter gemäß diesem dritten Aspekt profitiert somit von den oben erwähnten Vorteilen des Leistungsmoduls.
- Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
- Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 zeigt ein Leistungsmodul gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. -
2 zeigt drei Wärme- und Stromleitelemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. -
3 zeigt eine Schaltbrücke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. -
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. - Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
- Die
1 zeigt ein Leistungsmodul 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Leistungsmodul 100 weist einen Kühler 102, eine Isolierschicht 104, die auf einer Oberfläche des Kühlers 102 vorgesehen ist, eine Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C, die auf der Isolierschicht 104 vorgesehen ist, und eine Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen in Form von Kupferelementen (also en aus Kupfer oder einer Kupferlegierung) 108A, 108B, 108C auf. Jedes Kupferelement 108A, 108B, 108C dient als Wärmeverteiler und zugleich als Stromleiter bzw. Stromanschluss und hat jeweils eine Oberseite und eine Unterseite. Die Oberseite ist zum Bilden eines elektrischen Anschlusses für ein elektronisches Bauelement und die Unterseite ist zum direkten Kontaktieren der Leiterschichtstruktur konfiguriert. Die Isolierschicht 104 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. einem organischen oder keramischen Material. Die Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C ist vorzugsweise aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material, insbesondere Kupfer gebildet, und besteht aus mehreren Dreiergruppen von rechteckigen Flächen 106A, 106B, 106C auf der Isolierschicht 104. Für jede Dreiergruppe von rechteckigen Flächen 106A, 106B, 106C ist eine Dreiergruppe 108 von Kupferelementen bzw. Wärmeverteiler 108A, 108B, 108C vorgesehen. Es sei angemerkt, dass die Flächen 106A, 106B, 106C auch andere Formen als rechteckig aufweisen können, insbesondere können sie dreieckig, ellipsenförmig oder kreisförmig sein oder aus einem oder mehreren Polygonen bestehen. - Die
2 zeigt drei Kupferelemente 108A, 108B, 108C einer solchen Dreiergruppe 108 in mehr Detail. Spezifischer zeigt die2 ein Kupferelement 108A, das als Wärmeverteiler und als Minus-Anschluss für eine Schaltbrücke eingerichtet ist, ein Kupferelement 108B, das als Wärmeverteiler und als Phasenstromanschluss für einen Low-Side-Halbleiter einer Schaltbrücke eingerichtet ist, und ein Kupferelement 108C, das als Wärmeverteiler und als Plus-Anschluss für einen High-Side-Halbleiter einer Schaltbrücke eingerichtet ist. - Die Form und Größe der Kupferelemente 108A, 108B, 108C passt jeweils mit Form und Größe der rechteckigen Flächen 106A, 106B, 106C überein. Jedes Kupferelement 108A, 108B, 108C weist zwei blockförmige Elemente als Abstandhalter 109 auf, die zum Verbinden mit einem oder mehrere Busbars eingerichtet sind.
- Die
3 zeigt eine Draufsicht einer Schaltbrücke 108 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die auch in der1 gezeigt ist. Die Schaltbrücke weist drei Kupferelemente 108A, 108B, 108C, die soeben in Verbindung mit der1 und2 beschrieben wurden. Auf die Kupferelemente 108B und 108C sind Halbleiterkomponenten 110, 112 angebracht, die von Isoliermaterial 114 zumindest teilweise umgeben und mittels Bonddrähte oder Bondbändchen 111 verbunden sind. - Die
4 zeigt ein Flussdiagramm 120 eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Verfahren beginnt bei 122 mit dem Bereitstellen eines Kühlers 102. Bei 124 wird eine Isolierschicht 104 auf einer Oberfläche des Kühlers 102 gebildet und bei 126 wird Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C auf der Isolierschicht 104 gebildet. Bei 128 wird eine Mehrzahl von Kupferelementen 108A, 108B, 108C mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite bereitgestellt, wobei die Oberseite zum Bilden eines elektrischen Anschlusses für ein elektronisches Bauelement 110, 112 und die Unterseite zum direkten Kontaktieren der Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C konfiguriert sind. - In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Funktion der Leiterschichtstruktur als Wärmeleiter insbesondere hervorgehoben. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C auch zur Verdrahtungsebene von Signalen, elektrischen Bauteilen oder anderen Funktionen (z.B. Platzierung eines Temperatursensors) genutzt werden können. Mit anderen Worten kann die Leiterschichtstruktur 106A, 106B, 106C sowohl zum thermischen als auch zum elektrischen Leiten verwendet werden.
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- Zitierte Patentliteratur
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- US 2017154877 A1 [0002]
Claims (13)
- Leistungsmodul (100) aufweisend - einen Kühler (102), - eine elektrische Isolierschicht (104) auf einer Oberfläche des Kühlers, - eine elektrische Leiterschichtstruktur (106A, 106B, 106C) auf einer dem Kühler abgewandten Seite der Isolierschicht, und - eine Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen (108A, 108B, 108C) aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite, - wobei die Wärme- und Stromleitelemente über deren jeweilige Unterseite auf einer dem Kühler abgewandten Seite der Leiterschichtstruktur angeordnet sind und mit der Leiterschichtstruktur elektrisch und thermisch verbunden sind, - Halbleiterbauelemente (110, 112), die jeweils auf der Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente angeordnet sind und mit den jeweiligen Wärme- und Stromleitelementen elektrisch und thermisch verbunden sind.
- Leistungsmodul gemäß
Anspruch 1 , wobei die Isolierschicht aus einem organischen, elektrisch isolierenden Material oder aus einem keramischen, elektrisch isolierenden Material gebildet ist. - Leistungsmodul gemäß
Anspruch 1 oder2 , wobei die Wärme- und Stromleitelemente über die Unterseite auf die Leiterschichtstruktur aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt sind. - Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterbauelemente jeweils auf die Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt sind.
- Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterschichtstruktur eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Flächen aufweist, die voneinander körperlich und elektrisch getrennt sind.
- Leistungsmodul gemäß
Anspruch 5 , wobei auf jeder der Flächen jeweils mindestens ein Wärme- und Stromleitelement angeordnet ist, das mit der jeweiligen korrespondierenden Fläche elektrisch und thermisch verbunden ist. - Leistungsmodul gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Flächen in Dreiergruppen angeordnet sind, wobei die drei Flächen der jeweiligen Dreiergruppe jeweils einen Minusstromanschluss, einen Phasenstromanschluss und einen Plusstromanschluss des Leistungsmoduls bilden.
- Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärme- und Stromleitelemente platten- oder blockförmig gebildet sind.
- Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärme- und Stromleitelemente in Dreiergruppen (108) angeordnet sind, wobei die drei Wärme- und Stromleitelemente der jeweiligen Dreiergruppe jeweils einen Minusstromanschluss, einen Phasenstromanschluss und einen Plusstromanschluss des Leistungsmoduls bilden.
- Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner elektrisch leitende Abstandshalter (109) aufweist, die jeweils auf die Oberseite der jeweiligen Wärme- und Stromleitelemente aufgelötet oder aufgesintert oder aufgeklebt oder aufgeschweißt sind und eingerichtet sind, elektrische Verbindungen zwischen den Wärme- und Stromleitelementen einerseits und externen elektrischen Kontaktpartnern des Leistungsmoduls andererseits herzustellen und zugleich räumlichen Abstand zwischen den Wärme- und Stromleitelementen einerseits und den externen elektrischen Kontaktpartnern andererseits herzustellen.
- Leistungsmodul nach
Anspruch 10 , wobei die Abstandshalter blockförmig öder säulenförmig gebildet sind. - Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (122) eines Kühlers (102), - Bilden (124) einer elektrischen Isolierschicht (104) auf einer Oberfläche des Kühlers, - Bilden (126) einer Leiterschichtstruktur (106A, 106B, 106C) auf eine dem Kühler abgewandte Seite der Isolierschicht, - Bereitstellen (128) einer Mehrzahl von Wärme- und Stromleitelementen (108A, 108B, 108C) aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung mit jeweils einer Oberseite und einer Unterseite, - Anordnen der Wärme- und Stromleitelemente auf eine dem Kühler abgewandte Seite der Leiterschichtstruktur, wobei die Wärme- und Stromleitelemente über deren jeweilige Unterseite auf die Leiterschichtstruktur aufgelegt werden und mit der Leiterschichtstruktur elektrisch und thermisch verbunden werden, - Anordnen von Halbleiterbauelementen (110, 112) auf die jeweiligen korrespondierenden Wärme- und Stromleitelemente und Verbinden der Halbleiterbauelemente mit den jeweiligen korrespondierenden Wärme- und Stromleitelementen elektrisch und thermisch.
- Stromrichter mit einem Leistungsmodul nach einem der
Ansprüche 1 bis11 .
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