DE19735071A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Leistungsmodul

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DE19735071A1
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Hermann Dipl Ing Kilian
Bernhard Dipl Phys Schuch
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Conti Temic Microelectronic GmbH
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Temic Telefunken Microelectronic GmbH
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Description

Leistungsmodule werden in der Elektrotechnik in vielen Anwendungsberei­ chen zur Ansteuerung von Bauelementen, Baugruppen o. ä. eingesetzt, bei­ spielsweise zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Elektromotoren. Be­ standteil derartiger Leistungsmodule ist eine als Leistungseinheit fungie­ rende Schaltungsanordnung mit Bauelementen, die in der Regel sowohl ak­ tive Bauelemente wie Leistungsbauelemente (insbesondere integrierte Schaltkreise ICs als Leistungsschalter) als auch passive Bauelemente wie Wi­ derstände (bsp. Shunts zur Strommessung) und Kondensatoren aufweist; da­ neben ist eine separate, mit der Leistungseinheit auf geeignete Weise zu verbindende Steuereinheit zur Signalerfassung (Sensorik), Signalansteuerung und Signalauswertung vorzusehen. Die Leistungsbauelemente arbeiten im Schaltbetrieb, weshalb hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten auftreten. Zur Vermeidung von Überspannungen ist ein induktionsarmer Aufbau des Leistungsmoduls erforderlich; demzufolge wird die Schaltungsanordnung der Leistungseinheit üblicherweise auf einen isolierenden Trägerkörper (ein isolierendes Substrat) aufgebracht, der in der Regel als DCB-Substrat ("direct copper bonding") ausgebildet ist - bei diesem DCB-Substrat ist ein (bsp. aus Aluminiumoxid Al2O3 oder Aluminiumnitrid AlN bestehender) Keramikträger zwischen zwei Kupferschichten angeordnet. Eine der beiden Kupferschich­ ten (die obere Kupferschicht) des DCB-Substrats wird zur Bildung von Leiter­ bahnen strukturiert und mit den Bauelementen der Schaltungsanordnung versehen, die mittels Lötung aufgebracht ("Bauelementelötung") und mit­ tels Bonddrähten untereinander sowie mit den Leiterbahnen kontaktiert werden. In der Regel wird das DCB-Substrat zur mechanischen Stabilisierung und zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Bauelemente der Schaltungs­ anordnung (insbesondere der Leistungsbauelemente) - ggf. über eine Ver­ bindungsschicht, beispielsweise über eine Wärmeleitpaste - auf einen (metallischen) Kühlkörper (bsp. eine Kupferplatte) aufgelötet ("DCB-Lötung"); dieser Kühlkörper kann die Verlustleistung - ggf. über eine Verbindungs­ schicht - an ein separates Kühlsystem weitergeben. Die Isolation (Potentialtrennung) zwischen den (Leistungs)Bauelementen der Schaltungs­ anordnung der Leistungseinheit und dem Kühlkörper wird durch den Kera­ mikträger des DCB-Substrats bewerkstelligt. Die Verbindung zwischen den Bauelementen der Schaltungsanordnung der Leistungseinheit unter­ einander (insbesondere zu deren Parallelschaltung) und zwischen der Lei­ stungseinheit und der Steuereinheit erfolgt bsp. mittels einer separaten Lei­ terverschienung aus mehreren Kupferleitern.
Dieser Aufbau des Leistungsmoduls mit einem DCB-Substrat als isolierendem Trägerkörper und einer separaten Steuereinheit bringt folgende Probleme mit sich:
  • - Die Abfuhr der Verlustleistung (Wärmeabfuhr) gestaltet sich schwierig, da durch die benötigten Verbindungsschichten (Wärmeleitpaste), die Lot­ schichten und das DCB-Substrat (insbesondere durch dessen Keramik­ träger) Wärmewiderstände gebildet werden; infolgedessen ist zwischen den (Leistungs)Bauelementen der Schaltungsanordnung und dem Kühl­ körper ein schlechter Wärmeübergang gegeben. Zudem tritt beim Löten des DCB-Substrats auf den Kühlkörper ("DCB-Lötung") ein relativ hoher Lunkeranteil auf, der das Wärmeleitvermögen negativ beeinflußt.
  • - der Fertigungsaufwand ist hoch, da bei den beiden unterschiedlichen Lötprozessen Löten der Bauelemente der Schaltungsanordnung auf das DCB-Substrat einerseits ("Bauelementelötung") und Löten des DCB-Sub­ strats auf den Kühlkörper andererseits ("DCB-Lötung") unterschied­ liche Lote eingesetzt werden müssen (bsp. muß im Rahmen einer sog. Stufenlötung bei der Bauelementelötung ein höherschmelzendes Lot eingesetzt werden, damit bei der nachfolgenden DCB-Lötung dieses Lot nicht mehr aufschmilzt); weiterhin ist aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von DCB-Substrat und Kühlkörper (insbesondere bei einem großflächigen DCB-Substrat) zum Spannungs­ ausgleich eine relativ dicke Lotschicht zwischen DCB-Substrat und Kühl­ körper erforderlich.
  • - die Verbindung zwischen Leistungseinheit und Steuereinheit ist aufwen­ dig und benötigt einen großen Platzbedarf.
Aus diesen Gründen ist das Leistungsmodul daher nur mit großem Flächen­ bedarf und hohen Kosten und mit einer eingeschränkten Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu realisieren, da zur ausreichenden Wärmeabfuhr eine große Halbleiterfläche (Chipfläche) der Bauelemente und ein großflächiges DCB-Substrat vorgesehen werden muß und da der Fertigungsaufwand und die Fertigungsprobleme erheblich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden und das demgegenüber vorteil­ hafte Eigenschaften aufweist, insbesondere bezüglich der Wärmeabfuhr der Verlustleistung und den geometrischen Gegebenheiten (Platzbedarf).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim vorgestellten Leistungsmodul sind folgende Komponenten vorgese­ hen:
  • - ein Trägerkörper, der bsp. als Kühler (Kühlkörper) ausgebildet ist oder der als Teil eines Kühlers (Kühlkörpers) bzw. Kühlsystems realisiert ist; der Trä­ gerkörper besteht aus einem temperaturbeständigen, hoch-wärme­ leitfähigen Trägermaterial, bsp. als metallische Trägerplatte aus Kupfer, Aluminium oder AlSiC. Die Dimensionen des Trägerkörpers werden so gewählt, daß eine genügende Aufnahmefläche zur Montage der Bauele­ mente (der Schaltungsanordnung) des Leistungsmoduls bereitgestellt wird, daß eine ausreichende Stabilität gewährleistet werden kann, und daß eine ausreichende Wärmeabfuhr bzw. Wärmekapazität vorhanden ist. Der Trägerkörper kann entweder eine plane Oberfläche zur Bildung einer ebenen Montagefläche zur Montage der Bauelemente aufweisen oder eine räumlich strukturierte Oberfläche (bsp. durch Ausbildung von Montagesteilen bzw. Verankerungspunkten) für die Integration (mechanische Fixierung und Kontaktierung) elektrischer, elektronischer oder mechanischer Komponenten (bsp. von zusätzlichen Kondensatoren oder von Sensoren etc.); desweiteren kann der Randbereich (die Beran­ dung bzw. Kontur) des Trägerkörpers in mindestens einem Teilbereich für Gehäusezwecke (Bildung eines Außengehäuses oder eines Zwischen­ gehäuses oder eines Gehäuseteils) ausgestaltet werden (bsp. durch Erhö­ hung der Berandung bzw. des Randbereichs des Trägerkörpers auf das gewünschte Maß des Gehäuses).
  • - eine unmittelbar auf den Trägerkörper ganzflächig (bsp. mittels CVD-Ver­ fahren oder Sputtern) aufgebrachte isolierende Diamantschicht, die einerseits die elektrische Isolation und andererseits die Wärmeleitung (Abtransport der Verlustleistung) bzw. Wärmespreizung (flächenhafte Verteilung der Wärme) gewährleistet; die Schichtdicke der Diamant­ schicht wird nach den Gesichtspunkten gewünschte Hochspannungs­ festigkeit (bsp. einige kV), ausreichende Wärmeleitung (typische Werte für die Wärmeleitfähigkeit sind je nach Schichtdicke 200 bis 900 W/m.K) und anfallende Kosten optimiert, wobei Hochspannungsfestigkeit, Wär­ meleitung und Kosten mit wachsender Schichtdicke ansteigen.
  • - eine direkt auf die Diamantschicht aufgebrachte Leitbahnstruktur mit Leiterbahnen und Anschlußflecken (Pads); durch die Leiterbahnen wer­ den die Verbindungen der Bauelemente der Schaltungsanordnung un­ tereinander realisiert (d. h. die Verbindungsleitbahnen, insbesondere die Verbindungsleitbahnen zur Parallelschaltung der Bauelemente zur Redu­ zierung der Strombelastung und ggf. Verbindungsleitbahnen zu Bauele­ menten für die Realisierung zusätzlicher Funktionen des Leistungsmo­ duls), durch die Anschlußflecken (Pads) werden Möglichkeiten für die Aufnahme und Kontaktlerung der Bauelemente sowie für die externe Kontaktierung (Außenanschlüsse) bereitgestellt. Die Leitbahnstruktur wird bsp. mittels der sog. semiadditiven Strukturierungstechnik hergestellt, bei der auf eine Haftschicht eine weichlötfähige Metallisierungsschicht galvanisch abgeschieden, (bsp. auf eine Schichtdicke von 250-300 µm) verstärkt wird und (unter Verwendung von Maskierungs- und Ätzprozes­ sen) fotolithografisch strukturiert wird und auf diese Metallisierungs­ schicht eine (bondfähige) Deckschicht aufgebracht wird.
  • - die Bauelemente der Schaltungsanordnung (von Leistungseinheit und ggf. von zusätzlichen Funktionseinheiten, insbesondere der Steuerein­ heit) werden auf die hierfür vorgesehenen Anschlußflecken der Leitbahn­ struktur aufgebracht (bsp. auf die Anschlußflecken aufgelötet) und mit den Leiterbahnen der Leitbahnstruktur (bsp. mittels Bonden) sowohl mit ihrer Rückseite als auch mit den auf ihrer Vorderseite angeordneten An­ schlußkontakten elektrisch kontaktiert; die Schaltungsanordnung kann als Bauelemente Schalttransistoren (bsp. IGBT-Transistoren, die als Chip-Bauelemente ausgebildet sind) und Entkopplungsdioden aufweisen - op­ tional können weitere Bauelemente (insbesondere der Steuereinheit) zur Realisierung zusätzlicher Funktionen vorgesehen werden, beispielsweise Sensoren zur Signalerfassung (Strommessung oder Temperaturmessung) oder Bauelemente zur Signalverarbeitung, Signalauswertung oder Signal­ vorverarbeitung. Die Bauelemente der Schaltungsanordnung können weiterhin zum Schutz gegen Umwelteinflüsse bzw. Umgebungseinflüsse mittels einer Vergußmasse vergossen werden, bsp. mittels eines Weich­ vergusses aus Silicon-Gel.
  • - die nicht in der Schaltungsanordnung integrierten Komponenten des Lei­ stungsmoduls müssen auf geeignete Weise mit den Bauelementen der Schaltungsanordnung über die Leitbahnstruktur verbunden werden.
Das Leistungsmodul vereinigt mehrere Vorteile in sich:
  • - das DCB-Substrat und die Lötung des DCB-Substrats auf den Kühlkörper (die DCB-Lötung) entfallen gänzlich, wodurch zudem Zwischenschichten und Materialien eingespart werden und eine Kostenreduzierung ermög­ licht wird,
  • - durch die gute Wärmeleitfähigkeit der isolierenden Diamantschicht wird die Verlustleistung der Bauelemente der Schaltungsanordnung (insbesondere der Leistungsbauelemente) effektiv zum Trägerkörper (Kühlkörper) hin abgeführt, d. h. es ist ein guter Wärmeübergang zwi­ schen den Bauelementen der Schaltungsanordnung und dem Träger­ körper (Kühlkörper) realisierbar,
  • - durch die effiziente Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Bauelemente der Schaltungsanordnung wird die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente der Schaltungsanordnung erhöht und damit auch die Zu­ verlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert sowie der Einsatzbereich des Leistungsmoduls vergrößert,
  • - falls zumindest ein Teil der Funktionen der Steuereinheit (bsp. die Si­ gnalerfassung mittels Sensoren) in die Schaltungsanordnung integriert wird, müssen deren Bauelemente nicht (auf aufwendige Weise) extern über Verbindungsleitungen angeschlossen werden,
  • - durch die Reduzierung des Flächenbedarfs kann das Leistungsmodul kompakt ausgestaltet werden (geringe Abmessungen) und damit auch mit geringen Herstellungskosten gefertigt werden.
Das Leistungsmodul wird im folgenden anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 für das Ausführungsbeispiel eines Leistungsumrichters zur An­ steuerung drehstromgetriebener Elektromotoren beschrieben.
Hierbei zeigt die Fig. 1 eine Teilansicht im Schnittbild und die Fig. 2 einen Teilausschnitt in Draufsicht des Leistungsmoduls mit einer ganzflächigen isolierenden Diamantschicht.
Die Umrichterfunktion des Leistungsumrichters wird mittels Parallelschal­ tung dreier Halbbrücken realisiert, wobei für jede Phase (R, S, T) des Dreh­ stroms ein Zweigpaar aus zwei Halbbrücken vorgesehen ist (in der Fig. 2 Ist die Teilansicht einer derartiger Halbbrücke schematisch angedeutet); hier­ durch ist ein induktionsarmer und symmetrischer Aufbau der Zweigpaare gegeben.
  • - Der als Kühler ausgebildete Trägerkörper 1 mit den Maßen Länge × Breite × Höhe von 150 mm × 80 mm × 7 mm besteht als metallische Trägerplatte bsp. aus Aluminium-Druckguß. Der Trägerkörper 1 besitzt zur besseren Wärmeableitung an die Umgebung eine oberflächenvergrößerte Form­ gebung (Strukturierung 12) und eine plane Oberfläche 13 als Montage­ fläche; jedoch kann - insbesondere zur mechanischen Fixierung und Kon­ taktlerung von zusätzlichen elektronischen oder mechanischen Bau­ elementen (bsp. von Stromsensoren und/oder von Kommutierungs­ kondensatoren und/oder von Entstörkondensatoren) - eine strukturierte Oberfläche 13 vorgesehen werden. Zur Bildung einer Gehäusewandung 11 ist die Berandung bzw. der Randbereich 14 des Trägerkörpers 1 er­ höht.
  • - auf die Oberfläche 13 des Trägerkörpers 1 wird eine dünne Diamant­ schicht 2 mittels CVD-Verfahren als Isolationsschicht abgeschieden, deren Schichtdicke bsp. einige 10 µm beträgt und die die Anforderungen des Leistungsmoduls hinsichtlich Isolationsfähigkeit und Wärmeleitung si­ cherstellt. Die Anforderungen hinsichtlich der Isolationsfähigkeit liegen bei Durchbruchspannungen im Bereich von einigen 100 V bis mehreren kV, hinsichtlich der Wärmeleitung bei einer Wärmeleitfähigkeit im Be­ reich von 200-800 W/m.K; bsp. wird bei einer Schichtdicke der Diamant­ schicht 2 von 20 µm eine Hochspannungsfestigkeit (elektrische Isolation) bis zu ca. 2 kV ermöglicht und eine Wärmeleitfähigkeit von 300 W/m.K er­ reicht.
  • - zur Bildung der Leitbahnstruktur 3 wird auf die dünne Diamantschicht 2 zuerst eine Haftschicht (bsp. aus TiW) abgeschieden und danach eine An­ fangsschicht aus dem gewünschten Material der Leitbahnstruktur (bsp. Kupfer); die Leitbahnstruktur 3 (Leiterbahnen 31, Anschlußflecken 32) der Schaltungsanordnung (insbesondere der Halbbrücken) wird mittels fotoli­ thografischer Methoden herausgebildet (Strukturierung mittels Maskie­ rung und Ätzung). Das Material der Leitbahnstruktur wird galvanisch auf die von der Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen 31 (insbesondere der Verbindungsleiterbahnen zur Verbindung der Leistungshalbleiter) abhän­ gige Mindestdicke verstärkt (bsp. auf eine Schichtdicke von 250-300 µm) und anschließend mit einer bsp. aus NiAu oder Kupfer bestehenden bondfähigen Abschlußschicht versehen (Schichtdicke der Abschlußschicht bsp. größer als 1.5 µm).
  • - die Bauelemente 4 der Schaltungsanordnung (bsp. sind 18 aktive Bauele­ mente 41 und 36 passive Bauelemente 42 vorgesehen, bsp. für eine Halb­ brücke jeweils zwei IGBT-Transistoren als Leistungsschalter zur Ansteue­ rung des Elektromotors und vier Entkopplungsdioden) werden mittels Lötung direkt auf die Leitbahnstruktur 3 (Leiterbahnen 31, Anschlußflec­ ken 32) aufgebracht und bsp. mittels Bonddrähten 5 (Drahtbondverfahren) mit der Leitbahnstruktur 3 (Leiterbahnen 31, An­ schlußflecken 32) kontaktiert. Die Bauelemente 4 der Schaltungsanord­ nung werden mit einer Vergußmasse 6 eingegossen (bsp. ein Weich­ verguß aus Silicon-Gel); die Höhe der Vergußmasse 6 bestimmt dabei die Höhe der vorzusehenden Gehäusewandung 11.

Claims (11)

1. Leistungsmodul, bestehend aus
  • - einem Trägerkörper (1) aus einem temperaturbeständigen, hoch-wärme­ leitfähigen Trägermaterial,
  • - einer unmittelbar auf den Trägerkörper (1) ganzflächig aufgebrachten isolierenden Diamantschicht (2),
  • - einer direkt auf die Diamantschicht (2) aufgebrachten Leitbahnstruktur (3) aus Leiterbahnen (31) und Anschlußflecken (32),
  • - einer zumindest als Leistungseinheit fungierenden Schaltungsanordnung, deren Bauelemente (4) auf die entsprechenden Leiterbahnen (31) und/oder Anschlußflecken (32) der Leitbahnstruktur (3) aufgebracht und mit den Leiterbahnen (31) der Leitbahnstruktur (3) elektrisch kontaktiert sind.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tungsanordnung Bauelemente zur Realisierung der Funktion der Leistungs­ einheit und Bauelemente zur Realisierung zusätzlicher Funktionen des Lei­ stungsmoduls aufweist.
3. Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bau­ elemente zur Realisierung der zusätzlichen Funktionen des Leistungsmoduls Sensoren zur Strommessung und/oder Temperaturmessung und/oder Bau­ elemente zur Signalansteuerung, Signalauswertung oder Signaivorverarbei­ tung vorgesehen sind.
4. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauelemente (4) der Schaltungsanordnung mit den Leiter­ bahnen (31) der Leitbahnstruktur (3) über Bonddrähte (5) elektrisch kontak­ tiert sind.
5. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitbahnstruktur (3) zur Parallelschaltung mehrerer Funktions­ einheiten der Schaltungsanordnung vorgesehen ist.
6. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitbahnstruktur (3) aus einer Haftschicht, einer auf die Haft­ schicht abgeschiedenen, galvanisch verstärkten und strukturierten weichlötfähigen Metallisierungsschicht und einer auf die Metallisierungs­ schicht aufgebrachten bondfähigen Deckschicht gebildet ist.
7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schichtdicke der Diamantschicht (2) in Abhängigkeit der ge­ wünschten Hochspannungsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Lei­ stungsmoduls gewählt ist.
8. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Trägerkörper (1) als Kühler oder Kühlkörper ausgebildet ist oder als Teil eines Kühlers oder Kühlkörpers oder Kühlsystems realisiert ist.
9. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Trägerkörper (1) eine plane Oberfläche (13) zur Bildung einer ebenen Montagefläche für die Bauelemente (4) der Schaltungsanordnung aufweist.
10. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Trägerkörper (1) eine räumlich strukturierte Oberfläche für die Aufnahme und Fixierung von Bauelementen der Schaltungsanord­ nung aufweist.
11. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Berandung (14) des Trägerkörpers (1) mindestens in einem Teilbereich zur Bildung einer Gehäusewandung (11) erhöht ist.
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