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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein WBG-Leistungsmodul.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Üblicherweise wird ein Wechselrichter verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, um eine dreiphasige Last, wie beispielsweise einen Elektromotor, zu versorgen. Eine der Kernkomponenten eines Wechselrichters ist ein Leistungsmodulpaket. Viele Entwickler erwägen die Verwendung von WBG(wide bandgap - breiter Bandabstand)-Vorrichtungen, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, die Paketgröße zu reduzieren und die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Leistungsmodulpakets zu verbessern. Um die thermische Wirkung des Leistungsmodulpakets bei WBG-Vorrichtungen zu verbessern, wird ein doppelseitiges Kühldesign vorgestellt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein herkömmliches Leistungsmodulpaket offenbart. Das Leistungsmodulpaket umfasst ein Leistungsmodul 10 und Kühlvorrichtungen 20 auf beiden Seiten des Leistungsmoduls. Das Leistungsmodul umfasst zwei Grundplatten 101 und dazwischen angeordnete Leistungsvorrichtungen 102 (SiC-Vorrichtungen). Die Leistungsvorrichtung 102 ist normalerweise dünn und zerbrechlich, daher wird normalerweise ein Abstandhalter 103 auf die Leistungsvorrichtung 102 gestapelt, um die Leistungsvorrichtung 102 während der Fertigung vor Belastungen zu schützen. Lötmaterial 104 wird zwischen die Leistungsvorrichtung 102 und die Grundplatte 101 sowie zwischen die Leistungsvorrichtung 102 und den Abstandhalter 103 gefüllt. Die Leistungsvorrichtungen 102, der Abstandhalter 103 und die beiden Grundplatten 101 sind in Epoxid 100 eingekapselt. Zur elektrischen Verbindung sind diese Grundplatten 101 zumindest teilweise aus Metall. Die Kühlvorrichtungen 20 bestehen jedoch auch aus Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Als Ergebnis wird zwischen der Kühlvorrichtung 20 und dem Leistungsmodul 10 eine Isolierfolie 30, wie beispielsweise eine Si3N4-Folie, eingefügt, um einen Kurzschluss zu verhindern. Die Isolierfolie 30 verbindet die Kühlvorrichtung 20 und das Leistungsmodul 10 durch Isolierfett, beispielsweise Silikonfett. Bei dieser Konstruktion ist innerhalb des Leistungsmoduls 10 keine Isolierung vorgesehen, jedoch wird durch die Isolierfolien 30 und das zweilagige Isolierfett eine Isolierung zwischen dem Leistungsmodul und den Kühlvorrichtungen bereitgestellt. Somit ist der Thermoionenwiderstand zwischen dem Leistungsmodul 10 und den Kühlvorrichtungen 20 groß. In diesem Leistungsmodulpaket wird die von den Leistungsvorrichtungen 102 erzeugte Wärme aufgrund des großen Thermoionenwiderstands nicht gut zu den Kühlvorrichtungen 20 geleitet.
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Ein weiteres herkömmliches Leistungsmodulpaket mit doppelseitiger Kühlung ist in 2 gezeigt. Es wird eine integrierte Isolierung innerhalb des Leistungsmoduls 10 präsentiert. Bei dieser Bauform wird anstelle der Grundplatte ein DBC 105 (Direct Bonded Copper) verwendet. Der DBC umfasst eine Kupferplatte 1051, eine Keramikschicht 1052 auf der Kupferplatte 1051 und ein Schaltungsmuster 1053 auf der Keramikschicht 1052. Die Leistungsvorrichtung 102 und der Abstandhalter 103 sind durch Lötmaterial 104 zwischen den beiden DBCs 105 eingebettet und in Epoxid 100 eingekapselt. Außerhalb des Leistungsmoduls 10 ist keine Hilfsisolierung erforderlich, da die Leistungsvorrichtung 102 durch die Keramikschicht 1052 von der Kupferplatte 1051 isoliert ist. Somit werden zwei Kühlvorrichtungen 20 durch Silikonfett mit dem Leistungsmodul 10 verbunden, und die Si3N4-Folie wird nicht mehr benötigt. Der Thermoionenwiderstand zwischen dem Leistungsmodul 10 und den Kühlvorrichtungen 20 ist geringer als der in 1.
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Bei einem herkömmlichen Leistungsmodulpaket werden mindestens eine Isolierschicht (die Si3N4-Folie oder die Keramikschicht 1052) und mindestens eine Schicht Isolierfett (Silikonfett) benötigt, was den Thermoionenwiderstand erhöht. Außerdem wird die Wärmeerzeugungsmenge der WBG-Vorrichtungen aufgrund der höheren Integration erhöht. Somit ist die thermische Wirkung des herkömmlichen Leistungsmodulpakets immer noch nicht ideal.
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KURZDARSTELLUNG
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Um die Isolierung und Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Leistungsmodul und den Kühlgeräten zu verbessern, zeigt die vorliegende Erfindung ein Leistungsmodulpaket, das ein Leistungsmodul und zwei Kühlvorrichtungen auf beiden Seiten des Leistungsmoduls umfasst. Das Leistungsmodul umfasst eine erste leitfähige Schicht, eine zweite leitfähige Schicht, mehrere Leistungsvorrichtungen, die zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet sind, und eine ersten isolierende Wärmeleitschicht, wobei die erste isolierende Wärmeleitschicht zwischen der ersten leitfähigen Schicht und einer der Kühlvorrichtungen bereitgestellt wird und zusammen mit der zweiten leitfähigen Schicht und den Leistungsvorrichtungen durch Epoxidharz eingekapselt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsmodulpaket ferner eine zweite isolierende wärmeleitende Schicht zwischen der zweiten leitfähigen Schicht und der anderen der Kühlvorrichtungen, wobei die zweite isolierende wärmeleitende Schicht innerhalb des Leistungsmoduls durch Epoxidharz eingekapselt ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält die zweite leitfähige Schicht kein isolierendes Teil und ist von der anderen der Kühlvorrichtungen durch eine Isolierfolie über Wärmeleitpaste isoliert.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält die zweite leitfähige Schicht ein isolierendes Teil und ist mit der anderen der Kühlvorrichtungen über Wärmeleitpaste verbunden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die zweite leitfähige Schicht ein DBC.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul ferner einen oder mehrere Abstandhalter, die auf den Leistungsvorrichtungen gestapelt sind.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der eine oder sind die mehreren Abstandhalter über Lötmaterial mit der Leistungsvorrichtung verbunden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Leistungsvorrichtung eine WBG-Vorrichtung, z. B. eine SiC-Vorrichtung, eine GaN-Vorrichtung oder eine Ga2O3-Vorrichtung.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erste leitfähige Schicht oder die zweite leitfähige Schicht eine Kupferplatte mit einer Dicke von 13 mm.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erste isolierende wärmeleitende Schicht und/oder die zweite isolierende wärmeleitende Schicht eine mit Keramikpartikeln versetzte Harzschicht.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt die Wärmeleitfähigkeit der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Wärmeleitfähigkeit der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht über 10 W/m · K und/oder der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder der Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt 15-19 ppm/K und/oder die Isolationsspannung der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Isolationsspannung der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 4 kV.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Dicke der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht 0,8-0,32 mm und/oder der Festigkeitskoeffizient der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder der Festigkeitskoeffizient der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 13 N/m und/oder die Biegefestigkeit der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Biegefestigkeit der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 500 MPa.
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Andere Aspekte und Vorzüge der Ausführungsformen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, die beispielhaft die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen.
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Figurenliste
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Die beschriebenen Ausführungsformen und deren Vorteile können am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden. In keiner Weise beschränken diese Zeichnungen jegliche Änderungen von Form und Detail, die von einem Fachmann an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
- 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Leistungsmodulpakets.
- 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen Leistungsmodulpakets.
- 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmodulpakets gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
- 4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmodulpakets gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
- 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Leistungsmodulpakets gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun erfindungsgemäße Ausführungsformen im Detail beschrieben. Ein Leistungsmodulpaket mit innerer Isolierung der ersten Ausführungsform wird im Detail unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 3 umfasst das Leistungsmodulpaket ein Leistungsmodul 1 und zwei Kühlvorrichtungen 21, 22 auf beiden Seiten des Leistungsmoduls 1. In dieser Ausführungsform ist jede Seite des Leistungsmoduls 1 mit einer Kühlvorrichtung 21, 22 vom Pin-Fin-Typ versehen, um die innerhalb des Leistungsmoduls 1 erzeugte Wärme abzuleiten.
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Das Leistungsmodul 1 umfasst eine erste leitfähige Schicht 111, eine zweite leitfähige Schicht 112 und mehrere Leistungsvorrichtungen 12 (in 3 ist nur eine Leistungsvorrichtung gezeigt), die zwischen der ersten leitfähigen Schicht 111 und der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet sind 112. Das Leistungsmodul umfasst ferner eine erste isolierende wärmeleitende Schicht 11, die zwischen der ersten leitfähigen Schicht 111 und einer der Kühlvorrichtungen, beispielsweise der unteren Kühlvorrichtung 21 in 3, bereitgestellt ist. Die Leistungsvorrichtungen 12 sind WBG-Vorrichtungen mit geringer Dicke, und ein Abstandhalter 13 ist auf jeder der Leistungsvorrichtungen 12 gestapelt, um die Leistungsvorrichtungen 12 während des Herstellungsprozesses des Leistungsmoduls 1 vor Beschädigung zu schützen. In diesem Fall wird Lötmaterial 14 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen die Leistungsvorrichtungen 12 und die Abstandhalter 13 und zwischen die Leistungsvorrichtungen 12 und die erste leitfähige Schicht 11 gefüllt, um die Leistungsvorrichtungen 12 und die Abstandhalter 13 zu befestigen und eine elektrische Verbindung bereitzustellen.
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Die erste leitfähige Schicht 111, die zweite leitfähige Schicht 112, die Leistungsvorrichtungen 12 und die Abstandhalter 13 sind zusammen mit der ersten isolierenden wärmeleitenden Schicht 11 in Epoxid 110 eingekapselt und bilden somit ein inneres isolierendes Leistungsmodul 1. Die erste isolierende wärmeleitende Schicht 11 stellt sowohl eine Isolierung als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Leistungsmodul 1 und der Kühlvorrichtung 21 bereit. Somit kann die untere Kühlvorrichtung 21 ohne eine zusätzliche Isolierstruktur direkt mit der unteren Oberfläche des Leistungsmoduls 1 verbunden werden, was die Wärmeleitfähigkeit des Leistungsmodulpakets verbessert. In diesem Fall hat nur die Unterseite des Leistungsmoduls 1 (die Seite der ersten leitfähigen Schicht 111) die Gestaltungsform der inneren Isolierung, während die Oberseite des Leistungsmoduls 1 (die Seite der zweiten leitfähigen Schicht 112) weiterhin eine herkömmliche Gestaltungsform aufweist, bei der die obere Kühlvorrichtung 22 durch eine Isolierfolie 3 über Silikonfett 31 mit dem Leistungsmodul 1 verbunden ist.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird das Leistungsmodulpaket der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Ausführungsform wird auf beiden Seiten des Leistungsmoduls 1 eine Gestaltungsform mit innerer Isolierung eingesetzt. Die innere Isolierung an der Unterseite des Leistungsmoduls ist die gleiche wie bei der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass als zweite leitfähige Schicht ein DBC 19 verwendet wird. Der DBC 19 umfasst eine Kupferplatte 191, eine Keramikschicht 192, die auf der Kupferplatte 191 gestapelt ist, und ein Schaltungsmuster 193, das auf der Keramikschicht 192 ausgebildet ist. Die Keramikschicht 192 stellt die innere Isolierung bereit, da der DBC 19 im Leistungsmodul 1 eingekapselt ist. Somit ist die obere Kühlvorrichtung 22 mit der oberen Oberfläche des Leistungsmoduls 1 durch Silikonfett 31 mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden.
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In 5 ist die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Dabei sind beide Seiten des Leistungsmoduls 1 mit isolierenden Wärmeleitschichten 11 versehen. Als Ergebnis werden die Kühlvorrichtungen 21, 22 durch diese isolierenden wärmeleitenden Schichten 11 gegenüber der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht 111, 112 isoliert.
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In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist die erste leitfähige Schicht oder die zweite leitfähige Schicht eine Kupferplatte mit einer Dicke von 1-3 mm. Die erste isolierende wärmeleitende Schicht und/oder die zweite isolierende wärmeleitende Schicht ist eine mit Keramikpartikeln versetzte Harzschicht. In anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt die Wärmeleitfähigkeit der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Wärmeleitfähigkeit der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht über 10 W/m· K. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder der Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt 17 ppm/K. Die Isolationsspannung der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Isolationsspannung der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 4 kV. Die Dicke der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Dicke der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt 0,8-0,32 mm. Der Festigkeitskoeffizient der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder der Festigkeitskoeffizient der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 13 N/m. Die Biegefestigkeit der ersten isolierenden Wärmeleitschicht oder die Biegefestigkeit der zweiten isolierenden Wärmeleitschicht beträgt mindestens 500 MPa.
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Für die bevorzugte Ausführungsform wurde eine Reihe alternativer Strukturelemente und Verarbeitungsschritte vorgeschlagen. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung illustrativ für die Erfindung und soll die Erfindung somit nicht einschränken. Fachleute erkennen verschiedene Modifikationen und Anwendungen, ohne vom wahren Wesen und Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
