DE102022207925B3 - Leistungselektronikmodul - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leistungselektronikmodul, aufweisend eine Leiterplatte mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage davon angeordneten Leistungshalbleitern, wobei die Leiterplatte eine vorgegebene Dimension aufweist, um eine vorgegebene maximale Anzahl an Leistungshalbleitern darauf anzuordnen. Ferner ist ein oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnetes Lead-Frame zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung vorgesehen, wobei das Lead-Frame folgende Teile aufweist: eine Drain-Source Verbindung, die mit einem Drain-Source-Kontakt der Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist, und eine der Drain-Source Verbindung über die Leistungshalbleiter gegenüberliegende Last-Source Verbindung, die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter kontaktierbar ist, sowie jeweils einen Gate- und Kelvin-Source-Anschluss, die oberhalb der Last-Source Verbindung angeordnet und mit den Leistungshalbleitern elektrisch kontaktiert sind. Im Falle, dass auf der Leiterplatte eine Anzahl an Leistungshalbleitern anzuordnen ist, die nicht der maximalen Anzahl entspricht, ist auf jedem der nicht von den Leistungshalbleitern belegten Verbindungsbereiche der obersten Lage ein Dummy-Chip aus elektrisch nicht leitfähigem Material angeordnet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule.
  • 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 z.B. Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Leistungshalbleiter können in kompletten Leistungselektronikmodulen (auch als Powermodule bezeichnet) oder als diskrete Bauteile verbaut werden.
  • Leistungselektronikmodule verfügen über eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Leistungshalbleitern, die auf der Leiterplatte miteinander elektrisch zur Leistungs- und Steuerungsführung kontaktiert sind. Auch sind bereits sogenannte Lead-Frames (Anschluss-Rahmen) verfügbar, also metallische Leitungsträger, um Stromverbindungen nach intern und extern herzustellen.
  • Eine Leistungs-Halbleiter-Einheit ist beispielsweise in der JP 2010 - 157 565 A offenbart.
  • Um eine Variation der Leistung des Leistungselektronikmoduls zu erreichen, wird aktuell die Chipgröße/-anzahl verändert, oder es werden Dummy-Chips aus dem für die Leistungshalbleiter verwendeten Halbleitermaterial (welche nicht funktional sind) eingesetzt, oder das Lead-Frame wird in dem entsprechenden Bereich angepasst. Da alle diese Optionen nicht optimal sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungselektronikmodul bereitzustellen, durch welches eine verbesserte Variation seiner Leistung 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 mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage davon angeordneten Leistungshalbleitern, wobei die Leiterplatte eine vorgegebene Dimension aufweist, um eine vorgegebene maximale Anzahl an Leistungshalbleitern darauf anzuordnen. Ferner ist ein oberhalb der Leistungshalbleiter angeordnetes Lead-Frame zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung vorgesehen, wobei das Lead-Frame folgende Teile aufweist: eine Drain-Source Verbindung, die mit einem Drain-Source-Kontakt der Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist, und eine der Drain-Source Verbindung über die Leistungshalbleiter gegenüberliegende Last-Source Verbindung, die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter kontaktierbar ist, sowie jeweils einen Gate- und Kelvin-Source-Anschluss, die oberhalb der Last-Source Verbindung angeordnet und mit den Leistungshalbleitern elektrisch kontaktiert sind. Auf der Leiterplatte ist eine Anzahl an Leistungshalbleitern angeordnet, die nicht der maximalen Anzahl entspricht, und auf jedem der nicht von den Leistungshalbleitern belegten Verbindungsbereiche der obersten Lage ist ein Dummy-Chip aus elektrisch nicht leitfähigem Material angeordnet.
  • In einer Ausführung ist der Dummy-Chip aus Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik gebildet.
  • In einer Ausführung ist der Dummy-Chip an vorgegebenen Bereichen davon mit einer Beschichtung versehen, die dazu eingerichtet ist, als Verbindungsschicht zur Befestigung der entsprechenden Teile des Lead-Frames zu dienen.
  • In einer Ausführung ist die Dimension des oder der Dummy-Chips derart gewählt, dass sie der Dimension der Leistungshalbleiter entspricht. Alternativ ist die Dimension des oder der Dummy-Chips derart gewählt, dass sie eine benötigte Isolationsstrecke zwischen vorhandenen Potentialen bereitstellt und dass eine Befestigung der entsprechenden Teile des Lead-Frames erfolgen kann.
    In einer Ausführung ist die Leiterplatte als eine DBC-Leiterplatte gebildet.
  • In einer Ausführung sind die Leiterplatte, die Leistungshalbleiter, der oder die Dummy-Chips und die im Bereich der Leiterplatte angeordneten Teile des Lead-Frames und der Last-Source Verbindung von einer Vergussmasse umgeben.
  • Ferner wird die Verwendung des Leistungselektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs bereitgestellt. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Leistungselektronikmodul. Ebenfalls wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend den Elektroantrieb.
  • 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.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, wird in aktuellen Leistungselektronikmodulen die Leistung beispielsweise über eine Veränderung der Chipgröße und/oder Chipanzahl variiert. Dabei lässt sich das Weglassen eines Leistungshalbleiters verhältnismäßig einfach durch Weglassen der entsprechenden Bond-Drähte umsetzen. In einem Lead-Frame-Design führt das Weglassen eines Leistungshalbleiters meistens zu einem Isolationsproblem, da der Abstand vom Lead-Frame zur in der Regel als DBC gebildeten Leiterplatte (welche unterschiedliche Potentiale haben) lediglich etwa 0,1 mm beträgt. In diesem Abstand kann das Mold nicht die notwendige Isolation erbringen. Aus diesem Grund wird in solchen Leistungselektronikmodulen häufig die Halbleitergröße variiert, um die Skalierung zu ermöglichen.
  • Alternativ werden Dummy-Chips aus dem für die Leistungshalbleiter verwendeten Halbleitermaterial (welche nicht funktional sind) eingesetzt oder das Lead-Frame muss in diesem Bereich angepasst werden, welches jedoch zu einer aufwendigen Qualifikation und Fertigung führt.
  • Um eine Variation in der Leistung des Leistungselektronikmoduls bereitstellen zu können, wird erfindungsgemäß ein Leistungselektronikmodul vorgeschlagen, das eine Leiterplatte 3 mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage 31 davon angeordneten Leistungshalbleitern 2 aufweist. Die Leiterplatte 3 weist eine vorgegebene Dimension (Dicke, Länge und Breite) auf, um eine vorgegebene maximale Anzahl an Leistungshalbleitern 2 darauf anzuordnen. In 1 sind dies vier Leistungshalbleiter 2.
  • Die Leiterplatte 3 ist vorteilhaft als eine DBC (Direct Bonded Copper)-Leiterplatte 3, nachfolgend kurz auch als DBC 3 bezeichnet, ausgeführt. Auf der DBC-Leiterplatte 3 sind Leistungshalbleiter 2 angeordnet, welche über entsprechende Verbindungen (Bonds, Lötstellen, etc.) zur Leistungs- und Steuerungsführung elektrisch kontaktiert werden.
  • Außerdem ist ein oberhalb der Leistungshalbleiter 2 angeordnetes Lead-Frame 1 zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung vorgesehen. Dieses besteht aus mehreren Teilen, von denen einer eine Drain-Source Verbindung 12 ist, die mit einem Drain-Source-Kontakt der Leiterplatte 3 elektrisch kontaktierbar ist. Ein weiterer Teil ist eine Last-Source Verbindung 11, die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder mit einem der Leistungshalbleiter 2 kontaktierbar ist. Ein weiterer Teil ist jeweils ein Gate-Source-Anschluss 13 und ein Kelvin-Source-Anschluss 14, um die Leistungshalbleiter 2 mit außerhalb der DBC-Leiterplatte 3 befindlichen Gate-Source-Pins und Kelvin-Source-Pins elektrisch zu kontaktieren.
  • Das erfindungsgemäße Konzept zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Leistungselektronikmodul, bei dem nicht alle vorgesehenen Verbindungsbereiche der obersten Lage 31 belegt werden, um eine vorgegebene Leistung bereitzustellen, ein Dummy-Chip 20 aus elektrisch nicht leitfähigem Material auf dem leeren Verbindungsbereich angeordnet ist.
  • Das Material, aus dem der Dummy-Chip 20 gebildet ist, ist vorteilhaft Glas, kann aber auch ein Kunststoff oder eine Keramik sein. Wichtig ist, dass die Isolationsstrecken zwischen den verschiedenen Potentialen (Lead-Frame 1 und Leiterplatte 3) eingehalten werden.
  • Der Dummy-Chip 20 weist vorteilhaft eine Dimension (Dicke, Länge und Breite) auf, die der Dimension (Dicke, Länge und Breite) der auf der Leiterplatte 3 angeordneten Leistungshalbleiter 2 entspricht. Alternativ kann er auch kleiner oder größer (Länge und/oder Breite) sein, solange die benötigten Isolationsstrecken zwischen den verschiedenen Potentialen (Lead-Frame 1 und Leiterplatte 3) eingehalten werden und die Teile des Lead-Frames 1, welche die Last-Source Verbindung 11 und die Gate- und Kelvin-Source-Anschlüsse 13, 14 bereitstellen, daran befestigt werden können. Hierfür ist der Dummy-Chip 20 in einer Ausgestaltung mit einer geeigneten Verbindungsschicht beschichtet.
  • Insbesondere wenn der Dummy-Chip 20 aus Glas gebildet ist, ist es in relativ einfacher Weise möglich, eine Beschichtung aufzubringen, die eine Oberfläche bereitstellt, auf der die entsprechenden Teile des Lead-Frames 1 mit und in demselben Prozess wie an den Leistungshalbleitern 2 befestigt werden können.
  • In allen Ausführungen kann mindestens im Bereich der Leiterplatte 3, an dem die Leistungshalbleiter 2 und der oder die Dummy-Chips 20 angeordnet sind, eine elektrisch isolierende Masse vorgesehen sein, die auch als Wärmeableitung dienen kann. Eine solche Verguss- oder Moldmasse (auch als Mold Compound oder Moldmasse bezeichnet) kann ein Harz oder eine andere Masse sein, die während des Herstellungsprozesses in das Leistungselektronikmodul eingebracht und ausgehärtet wird. Die Verguss- oder Moldmasse fließt dabei in alle freien Bereiche und dient auch als mechanische Stabilisierung der einzelnen Komponenten bei der Montage.
  • Die Bezeichnung Leistungshalbleiter 2 umfasst sowohl einzelne topologische Schalter wie auch Halbbrücken/B6-Brücken, um einen Inverter bereitzustellen. Das Lead-Frame 1 ist vorteilhaft aus einem elektrisch leitfähigen Metallblech gebildet, welches zum Stanzen und Biegen geeignet ist.
  • Ein Leistungselektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs 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 Kraftfahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
  • Anwendung findet die beschriebene Inverteranordnung beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere eine elektrisch mit dem Elektroantrieb angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lead-Frame
    11
    Last-Source Verbindung
    12
    Drain-Source Verbindung
    13, 14
    Gate- und Kelvin-Source-Anschluss
    2
    Leistungshalbleiter
    20
    Dummy-Chip
    3
    DCB-Leiterplatte
    31
    Verbindungsbereichen einer obersten Lage der 3

Claims (9)

  1. Leistungselektronikmodul, aufweisend - eine Leiterplatte (3) mit auf Verbindungsbereichen einer obersten Lage (31) davon angeordneten Leistungshalbleitern (2), wobei die Leiterplatte (3) eine vorgegebene Dimension aufweist, um eine vorgegebene maximale Anzahl an Leistungshalbleitern (2) darauf anzuordnen, und - ein oberhalb der Leistungshalbleiter (2) angeordnetes Lead-Frame (1) zur dreidimensionalen Leistungs- und Steuerungsführung, wobei das Lead-Frame (1) folgende Teile aufweist: - eine Drain-Source Verbindung (12), die mit einem Drain-Source-Kontakt der Leiterplatte (3) elektrisch kontaktierbar ist, und - eine der Drain-Source Verbindung (12) über die Leistungshalbleiter (2) gegenüberliegende Last-Source Verbindung (11), die aus mehreren Teilbereichen gebildet ist, von denen jeder elektrisch mit einem der Leistungshalbleiter (2) kontaktierbar ist, und - jeweils einen Gate- und Kelvin-Source-Anschluss (13, 14), die oberhalb der Last-Source Verbindung (11) angeordnet und mit den Leistungshalbleitern (2) elektrisch kontaktiert sind, wobei auf der Leiterplatte (3) eine Anzahl an Leistungshalbleitern (2) angeordnet ist, die nicht der maximalen Anzahl entspricht, und auf jedem der nicht von den Leistungshalbleitern (2) belegten Verbindungsbereiche der obersten Lage (31) ein Dummy-Chip (20) aus elektrisch nicht leitfähigem Material angeordnet ist.
  2. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei der Dummy-Chip (20) aus Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik gebildet ist.
  3. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Dummy-Chip (20) an vorgegebenen Bereichen davon mit einer Beschichtung versehen ist, die dazu eingerichtet ist, als Verbindungsschicht zur Befestigung der entsprechenden Teile des Lead-Frames (1) zu dienen.
  4. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe des oder der Dummy-Chips (20) derart gewählt ist, dass - sie der Dimension der Leistungshalbleiter (2) entspricht, oder - sie eine benötigte Isolationsstrecke zwischen vorhandenen Potentialen bereitstellt und dass eine Befestigung der entsprechenden Teile des Lead-Frames (1) erfolgen kann.
  5. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte als eine DBC-Leiterplatte (3) gebildet ist.
  6. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (3), die Leistungshalbleiter (2), der oder die Dummy-Chips (20) und die im Bereich der Leiterplatte (3) angeordneten Teile des Lead-Frames (1) von einer Vergussmasse (4) umgeben sind.
  7. Verwendung eines Leistungselektronikmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
  8. Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs, aufweisend das zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildete Leistungselektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  9. Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 8.
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