DE102022207767B3

DE102022207767B3 - Leistungsmodul und Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls

Info

Publication number: DE102022207767B3
Application number: DE102022207767.9A
Authority: DE
Inventors: Lukas Berger; Amil Handukic; Rudolf Angerer
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: WO2024022828A1

Abstract

Leistungsmodul mit mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Stromschienen (1), wobei die Stromschienen (1) durch eine Isolationsfolie (2) voneinander getrennt sind, die flächig entlang der Längserstreckung (L) der Stromschienen (1) anliegt und wobei die Stromschienen mit einem isolierenden Spritzgussmaterial in einer Umspritzung (3) umspritzt sind, wobei die Isolationsfolie (2) einen Überstand (4) entlang der Längserstreckung (L) aufweist, der mit dem Spritzgussmaterial der Umspritzung (3) im überlappenden Bereich eine Schmelzverbindung eingeht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem Trägersubstrat und mindestens einem ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauelement sowie Stromschienen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit umspritzten Stromschienen.
Stand der Technik
In der Automobil-Elektronik, insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, werden zunehmend Leistungsmodule eingesetzt, bei denen Leistungshalbleiterbauelemente auf einem Substrat angeordnet sind. Für eine elektrische Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente mit Leiterbahnen werden überwiegend Bondtechnologien genutzt, beispielsweise eine Direct Copper Bonded Technologie.
Ein solches Leistungsmodul kann beispielsweise genutzt werden, um Strom einem elektrischen Motor zuzuführen, beispielsweise einem Drei-Phasen-WechselstromMotor. Bei solchen Anwendungen können in den Leistungsmodulen sehr hohe Verlustleistungen und sehr hohe Schaltströme im Bereich von mehreren hundert Ampere auftreten.
Aus der DE 10 2011 089 740 A1 ist ein Leistungsmodul bekannt, das ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat umfasst. Das Trägersubstrat weist einen keramischen Werkstoff auf oder besteht aus einem keramischen Werkstoff. Das Leistungsmodul umfasst eine elektrisch leitende erste Leiterbahn, die auf einer ersten Oberfläche des Trägersubstrats angeordnet ist, und eine elektrisch leitende zweite Leiterbahn, die ebenfalls auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats angeordnet ist.
Ferner weist das Leistungsmodul zumindest ein erstes Leistungshalbleiterbauelement auf, das zumindest einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss auf einer der ersten Leiterbahn zugewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist und der zweite Anschluss auf einer der ersten Leiterbahn abgewandten Seite des ersten Leistungshalbleiterbauelements und der erste Anschluss mit der ersten Leiterbahn elektrisch gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst das Leistungsmodul zumindest ein zweites Leistungshalbleiterbauelement, das zumindest einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss auf einer der zweiten Leiterbahn zugewandten Seite des zweiten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist und der zweite Anschluss auf einer der zweiten Leiterbahn abgewandten Seite des zweiten Leistungshalbleiterbauelements und der erste Anschluss mit der zweiten Leiterbahn elektrisch gekoppelt ist. Das Leistungsmodul weist eine elektrisch leitende planare Verbindung auf, die den zweiten Anschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements elektrisch koppelt mit der zweiten Leiterbahn. Das Leistungsmodul umfasst eine Isolationsschicht und eine elektrisch leitende dritte Leiterbahn. Die dritte Leiterbahn ist auf einer dem Trägersubstrat abgewandten Seite der Isolationsschicht angeordnet. Der zweite Anschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements ist elektrisch gekoppelt mit der dritten Leiterbahn. Die Isolationsschicht ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie die dritte Leiterbahn elektrisch isoliert von der ersten und zweiten Leiterbahn. Die erste Leiterbahn und die dritte Leiterbahn sind in Richtung der Hochachse zumindest teilweise überlappend angeordnet.
Aus der DE 10 2010 001 545 A1 ist ein gemoldetes Leistungsmodul bekannt, umfassen im Wesentlichen einen Schaltungsträger, der z. B. als DBC-Substrat ausgebildet ist, als keramisches Material, so z. B. LTCC oder eine Standardkeramik wie Al2O3 oder auch als Stanzgitter ausgebildet sein kann. Auf einem derartigen Schaltungsträger sind elektronische Bauelemente zur Darstellung der Schaltung aufgenommen. Die Anzahl von elektronischen Bauelementen, die jeweils auf dem Schaltungsträger unterzubringen ist, wird gelötet, geklebt oder auch aufgeclipst und anschließend in eine Moldmasse eingebettet. In der Regel wird die Moldmasse um die auf dem Schaltungsträger ausgebildeten Komponenten gespritzt, so dass zum einen eine Fixierung der einzelnen elektronischen Bauelemente und zum anderen eine Abdichtung gegen Umwelteinflüsse von außen erreicht werden kann.
Aus der CN 1 05 513 689 A ist eine flächige Stromleitung bekannt, deren Leiter durch ein Substratmaterial getrennt sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungsmodul zu schaffen, das einen Beitrag leistet, eine Leistungsfähigkeit und/oder eine Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls zu erhöhen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Leistungsmodul mit mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Stromschienen, wobei die Stromschienen durch eine Isolationsfolie voneinander getrennt sind, die flächig entlang der Längserstreckung der Stromschienen anliegt und mit einem isolierenden Spritzgussmaterial in einer Umspritzung umspritzt sind, wobei die Isolationsfolie einen Überstand entlang der Längserstreckung aufweist, der mit dem Spritzgussmaterial der Umspritzung im überlappenden Bereich eine Schmelzverbindung eingeht.
Ein solches Leistungsmodul ist bezüglich seiner elektrischen Eigenschaften optimiert und reduziert das Risiko von induktiven Strömen.
Das Leistungsmodul spart durch die Kombination von Isolationsfolie und Spritzverfahren Bauraum ein.
In einer Ausführungsform ist die Isolationsfolie zwischen den Stromschienen eingelegt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Isolationsfolie zwischen den Stromschienen mindestens an einer der beiden Stromschienen angeklebt.
Die Isolationsfolie weist einen Überstand entlang der Quererstreckung der Stromschienen auf, der die Endflächen der Stromschienen im Kontaktbereich überragt.
Die Stärke der Isolationsfolie ist um einen Faktor 10-20 geringer ist als die Dicke der Umspritzung.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, wobei in ein Spritzgusswerkzeug Stromschienen und eine zwischen den Stromschienen angeordnete Isolationsfolie eingebracht wird, wobei die Isolationsfolie entweder im Werkzeug oder an einer der Stromschienen gehalten ist und wobei Stromschienen umspritzt werden und die Isolationsfolie sich mit dem Material der Umspritzung schmelzend verbindet. Dabei kann die Isolationsfolie auch aus demselben Material wie die Umspritzung sein.
Dabei kann die Isolationsfolie sowohl mechanisch gehalten werden als auch teilweise angeklebt sein.
Beschreibung der Figuren

1 zeigt einen Schnitt durch zwei parallel verlaufende Stromschienen,
2 zeigt eine Ansicht auf die parallelen Stromschienen.

Stromschienen 1 in Leistungsmodule werden oft parallel zueinander verbaut. Die einzelnen Stromschienen 1 müssen dabei zum einen voneinander, als auch von den weiteren Bauelementen des Leistungsmoduls isoliert sein.
Bei bekannten Konstruktionen werden umspritzte Bauteile, welche in möglichst geringem Abstand zueinander positioniert werden, durch das Spritzgussmaterial selbst zueinander isoliert, das zwischen den Bauteilen, den Stromschienen 1 eindringt. Für das Einbringen eines Spritzgussmaterials zwischen den Stromschienen 1 ist ein Mindestabstand zwischen den Stromschienen 1 notwendig, der durch das Material und den Spritzgussprozess bestimmt ist.
Oft ist hier ein Abstand notwendig, der in etwa der Dicke einer Umspitzung 3 der Stromschienen 1 entspricht. Eine gewöhnliche Umspritzung weist einen Dicke d von mehreren Millimetern auf.
Problematisch ist dabei, dass die Stromschienen 1 mit gewissen Toleranzen verbaut sind, so dass der Mindestabstand zwischen den Stromschienen 1 variiert. Damit ist es schwierig, einen definierten Abstand dem Spritzguss auszufüllen.
Erfindungsgemäß wird zwischen den Stromschienen 1 eine Isolationsfolie 2 angebracht, die eine geringe Dicke im Vergleich zu einem Mindestabstand, oder der Dicke der Umspritzung 3 aufweist. Isolationsfolien sind bekannt und weisen eine Stärke s von einigen Mikrometern auf. Die Stärke s ist somit um einen Faktor 10-20 kleiner als die Dicke d der Umspritzung 3.
Die Isolationsfolie 2 besteht aus einem Material, das mit dem Material für den Spritzguss und der dadurch entstehenden Umspritzung 3 kompatibel ist und eine Schmelzverbindung in den Übergangsbereichen herstellen kann.
Dazu wird die Isolationsfolie 2 in einer Ausführungsform als getrenntes Bauteil verwendet, das im Spritzgussprozess im Werkzeug befestigt wird und die Trennung zwischen den beiden Stromschienen 1 vornimmt.
In einer alternativen Ausführungsform ist Isolationsfolie zumindest teilweise mit einem Klebematerial beschichtet, so dass die Folie vor dem Umspritzen der Stromschienen 1 auf eine der Stromschienen 1 aufgeklebt werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird eine der Stromschienen 1 dünn mit einer Isolationsschicht beschichtet.
Die beiden parallel verlaufenden Stromschienen 1 werden unabhängig von der Vorbereitung mit der Isolationsfolie oder der Isolationsschicht gemeinsam dem Spritzgussmaterial umspritzt. Die Isolationsfolie 2 steht dabei über die beiden Stromschienen hinaus. Dieser Überstand 4 liegt im Rahmen von 1-5 mm und dient zum Verschmelzen der Isolationsfolie 2 mit dem Spritzgussmaterial im Bereich B, in denen die Stromschienen umspritzt werden. Die Umspritzung 3 ist im Bereich B verdickt, um die Verschmelzung zu vereinfachen.
Als stromführende Komponenten werden Stromschienen aus Kupfer, Aluminium, oder Kupferlegierungen verwendet.
Für das Verfahren zum Umspritzen von Stromschienen wird die Isolationsfolie 2 in ein Spritzgusswerkzeug eingeführt. Die Isolationsfolie wird dabei an mindestens einer Stelle im Werkzeug befestigt. Das kann durch ein Klemmen der Folie erfolgen oder auch durch ein Festkleben der Folie im Werkzeug oder auch alternativ an einer der Stromschienen 1.
Das verwendete Klebematerial darf dabei die Eigenschaften des Spritzgussmaterials nicht beeinflussen. Die Stromschienen werden zu der Isolationsfolie im Werkzeug eingelegt und erstrecken sich beidseitig der Isolationsfolie 2. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und die Umspritzung 3 hergestellt.
In der 2 sieht man in der Aufsicht den Bereich, in dem die Stromschienen aus der Ummantelung, der Umspritzung 3 mit dem Spritzgussmaterial herausgeführt werden. Die Isolationsfolie 2 weist an dieser Stelle einen Überstand 4 in Richtung der Längserstreckung L der Stromschienen 1 auf, der nicht verschmolzen ist und einen weiteren Überstand 5 in der Quererstreckung Q. Durch den Überstand 5 aber auch den Teil des Überstands 4, der nicht verschmolzen ist, soll verhindert werden, dass ein Kriechweg zwischen den stromführenden Komponenten entsteht.

Claims

Leistungsmodul mit mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Stromschienen (1), wobei die Stromschienen (1) durch eine Isolationsfolie (2) voneinander getrennt sind, die flächig entlang der Längserstreckung (L) der Stromschienen (1) anliegt und wobei die Stromschienen mit einem isolierenden Spritzgussmaterial in einer Umspritzung (3) umspritzt sind, wobei die Isolationsfolie (2) einen Überstand (4) entlang der Längserstreckung (L) aufweist, der mit dem Spritzgussmaterial der Umspritzung (3) im überlappenden Bereich (B) eine Schmelzverbindung eingeht.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsfolie (2) zwischen den Stromschienen (1) eingelegt ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsfolie (2) zwischen den Stromschienen (1) mindestens an einer der beiden Stromschienen (1) angeklebt ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsfolie (2) einen Überstand (5) entlang der Quererstreckung (Q) der Stromschienen aufweist, der die Endflächen (6) der Stromschienen (1) im Kontaktbereich überragt.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke (s) der Isolationsfolie (2) um einen Faktor 10-20 geringer ist als die Dicke (D) der Umspritzung (3).
Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls nach den Ansprüchen 1-5, wobei in ein Spritzgusswerkzeug Stromschienen (1) und eine zwischen den Stromschienen (1) angeordnete Isolationsfolie (2) eingebracht wird, wobei die Isolationsfolie (2) entweder im Werkzeug oder an einer der Stromschienen (1) gehalten ist und wobei Stromschienen (1) umspritzt werden und die Isolationsfolie (2) sich mit dem Material der Umspritzung (3) im Überlappbereich (B) schmelzend verbindet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Isolationsfolie (2) mechanisch gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Isolationsfolie (2) mindestens teilweise mit einem Klebematerial geklebt ist.