DE19924991A1 - Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise - Google Patents

Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise

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Abstract

Eine laminierte Mehrlagenleiterplatte (7, 8) für den Logikteil weist eine Aussparung (10) auf, in der das Leistungssubstrat (2) angeordnet ist und besteht aus zwei Teilen (7, 8), die durch einen dünnen Zwischenabschnitt verbunden sind, in dem alle unteren Lagen der Mehrlagenleiterplatte (7, 8) nicht vorhanden sind, sondern nur die oberste Lage als flexible elektrische und mechanische Verbindungslage (9) zwischen beiden Teilen (7, 8) biegbar weitergeführt ist. Bei Biegung um 180 DEG sind die beiden Teile (7, 8) sandwichartig übereinandergeklappt.

Description

Die Erfindung betrifft ein intelligentes Leistungsmodul, ins­ besondere in Sandwich-Bauweise.
IPM (Intelligent-Power-Modul)-Bauformen, also Module mit einem Leistungsteil mit elektronischen Bauelementen und einem im Modul integrierten Logik- bzw. Ansteuerungsteil, werden ge­ genwärtig beispielsweise bei Anwendungen im Zusammenhang mit Schweißgeräten, Stromversorgungen und in der Antriebstechnik eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Asynchronmotoren wer­ den zunehmend Frequenzumrichterlösungen zur Drehzahlsteuerung eingesetzt, wobei im Leistungsteil des Moduls insbesondere IGBT (Isolated-Gate-Bipolar-Transistor)-Leistungshalbleiter Verwendung finden.
Bei der Auswahl des Leistungssubstrats als Träger für die Bauelemente des Leistungsteils ist zu beachten, daß zur übli­ cherweise erforderlichen Kühlplatte hin einerseits eine hohe elektrische Isolation, andererseits aber auch ein guter Wär­ meübergang gewährleistet ist. Letzteres ist mit den bekannten Leiterplatten aus Kunststoff nicht gegeben, so daß die Lei­ stungsteile derzeit je nach Applikationsanforderung auf rela­ tiv aufwendigen Substraten, beispielsweise DCB (Direct Copper Bonding)-Aluminiumoxid, IMS (Aluminium-Polyimid-Kupfer) oder Aluminiumnitrit aufgebaut werden. Die Logikteile andererseits können ohne weiteres auf der Basis der bekannten Epoxi- Leiterplatten hergestellt werden.
Problematisch bei der herkömmlichen Modultechnik ist die Ver­ bindung zwischen dem Logik- und dem Leistungsteil. Diese Ver­ bindung, bei der typischerweise Lötkontakte, Steckverbindun­ gen oder Druckkontakte eingesetzt werden, ist oftmals eine qualitative Schwachstelle und verursacht hohe Kosten. Noch größer werden die Probleme mit der Verbindungstechnik, wenn aus Platzgründen vom Anwender ein Sandwich-Aufbau des Moduls gefordert wird, bei dem beispielsweise das Leistungssubstrat über Pins mit dem darüber angeordneten Logikteil verbunden ist. Derartige Logik-Leistungsmodule in Sandwich-Bauweise sind bereits auf dem Markt erhältlich.
Aus der Patentschrift US 4,495,546 ist bereits ein Sandwich- Aufbau bekannt, allerdings nicht Leistungsmodule, sondern zwei Dickschichtschaltungen mit Aluminiumsubstraten betref­ fend, die beide von einer flexiblen Leiterplatte überdeckt sind, die außerdem zwischen den beiden Schaltungsteilen einen biegsamen Zwischenabschnitt bildet, der zur Bildung des Sand­ wich um 280° gebogen wird. Da nicht nur der zu biegende Zwi­ schenabschnitt, sondern die Leiterplatte als ganzes als fle­ xibel vorgesehen ist, wird das als Material für flexible Lei­ terplatten bekannte Polyimid vorgeschlagen, das jedoch rela­ tiv kostenaufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein intelligentes Leistungsmodul insbesondere in Sandwich-Bauweise zu schaffen, das ohne aufwendige Verbindungstechnik auskommt und deshalb einfach herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein intelligentes Leistungsmodul mit einem Leistungsteil, dessen elektronische Bauelemente auf einem Leistungssubstrat aufgebaut sind, und einem Logikteil, dessen Bauelemente auf einer Mehrlagenlei­ terplatte aufgebaut sind, die eine Aussparung aufweist, in der das Leistungsteil angeordnet und mit dem Logikteil elek­ trisch verbunden ist, wobei die Mehrlagenleiterplatte einen Laminataufbau aus leitend beschichteten Lagen aufweist, deren Trägerwerkstoff jeweils aus einem Glasfaser-Harzgewebe be­ steht, und wobei die Mehrlagenleiterplatte aus zwei Teilen besteht, die durch einen dünnen Zwischenabschnitt verbunden sind, in dem alle unteren Lagen der Mehrlagenleiterplatte nicht vorhanden sind und nur die bauelementeseitig oberste Lage als flexible elektrische und mechanische Verbindungslage zwischen beiden Teilen biegbar weitergeführt ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Draufsicht ein erfindungsge­ mäßes Modul im noch nicht übereinandergeklappten Zustand;
Fig. 2 in seitlicher Schnittdarstellung das gleiche Mo­ dul wie in Fig. 1, jedoch im fertigen, überein­ andergeklappten Zustand.
In Fig. 1 ist ein beispielsweise für Verlustleistungen ab 20 W geeignetes Modul dargestellt, das prinzipiell aus einem Logikteil und einem Leistungsteil besteht. Die Bauelemente 1 des Leistungsteils sind auf einem geeigneten (s. oben) Lei­ stungssubstrat 2 angeordnet. Die Bauelemente 3 bis 6 des Lo­ gikteils sind auf einer Mehrlagenleiterplatte angeordnet, die aus zwei Teilen 7 und 8 besteht, und deren erster Teil 7 eine Aussparung 10 in der Größe des Leistungsteils aufweist. Das in der Aussparung 10 angeordnete Leistungssubstrat 2 ist über Bonddrähte 12 mit den umgebenden Bereichen des ersten Teils 7 der Mehrlagenleiterplatte verbunden. Eine aufwendige Verbin­ dungstechnik, beispielsweise mit Kontaktkämmen, wird also an dieser Stelle vermieden. Die zunächst nur durch die einzelnen Aussparungen unterbrochene Leiterplatte kann im Nutzen gebon­ det werden.
Durch die mit der Bondtechnik einhergehende Anordnung von Leistungsteil und Teilen des Logikteils in einer Ebene, also nebeneinander, ergibt sich ein erhöhter Platzbedarf, der ent­ schärft werden kann, indem das Logikteil teilweise in eine andere Ebene verlagert wird. Dies ist erfindungsgemäß mög­ lich, ohne wiederum neue aufwendige Verbindungstechnik zur weiteren Ebene zu erfordern.
Die Mehrlagenleiterplatte ist im Zwischenabschnitt bezüglich ihrer Eigenschaft als Träger im wesentlichen unterbrochen, da die beiden Teile 7 und 8 dort nur durch eine dünne Verbin­ dungslage 9 verbunden sind. Dies gewährleistet einerseits ei­ ne direkte elektrische Verbindung ohne zusätzliche Verbin­ dungstechnik zwischen den beiden Teilen 7 und 8, während an­ dererseits die mechanische Verbindung zwischen den beiden Teilen 7 und 8 nicht mehr starr, sondern flexibel ist. Ferti­ gungstechnisch kann dies beispielsweise dadurch erreicht wer­ den, daß im Nutzen Lücken (für die Zwischenabschnitte) ge­ stanzt werden, so daß die Mehrlagenleiterplattenteile 7 und 8 nur noch an Stegen hängen. Anschließend wird eine letzte, oberste Lage über die beiden Teile 7 und 8 und über die zuvor gestanzte Lücke darüberlaminiert, die dann als flexible Ver­ bindungslage 9 den Zwischenabschnitt bildet. Danach erfolgt das Ausbrechen der einzelnen, zweiteiligen Mehrlagenleiter­ platten, das Montieren der Kühlplatten und das Bestücken mit Logikbauelementen bzw. das Einsetzen des Leistungssubstrats in die vorgesehene Aussparung 10.
Als Trägerwerkstoff für die Lagen und damit auch für die oberste Verbindungslage 9 eignet sich beispielsweise konven­ tionelles kupferkaschiertes Glasfaser-Harzgewebe mit der Spe­ zifikation (NEMA Grade) FR4 oder FR5. Die ca. 0,3 mm dicke glasfaserartige Verbindungslage 9 ist stabil und flexibel ge­ nug, um gebogen zu werden, z. B. um 90 oder 180°.
In Fig. 2 ist ein fertiger Sandwich-Aufbau des erfindungsge­ mäßen Moduls dargestellt. Erkennbar sind die übereinander an­ geordneten, etwa gleich großen Teile 7 und 8 der Mehrlagen­ leiterplatte, die mit SMD-Bauteilen 3 bis 5, z. B. IC's oder passive Komponenten, bzw. mit steckmontierten Bauelementen 6 bestückt sind. Das erste Teil 7 der Mehrlagenleiterplatte ist zusammen mit dem darin angeordneten Leistungssubstrat 2 auf einer Kühlplatte 11 befestigt, beispielsweise mittels wärme­ leitfähigem Kleber oder mittels Löttechnik. Erkennbar ist auch die Verbindung zwischen Leistungssubstrat 2 und erstem Teil 7 mittels Drahtbondtechnik 12. Durch Weiterführung der bauelementeseitig obersten Lage des Teils 7, also der Verbin­ dungslage 9, können die beiden starren Teile 7 und 8 um das flexible Zwischenstück herum geklappt werden.
Das Modul kann insbesondere mittels seiner Kühlplatte 11 in ein Gehäuse eingebaut werden, wobei vorteilhafterweise auch das obere Teil 8 mechanisch am Gehäuse zu arretieren ist. Das obere Teil 8 wird üblicherweise mit Klemmen versehen, die die Netzanschlüsse des Moduls und die Anschlüsse zum angesteuer­ ten Aggregat bilden. Das Modul kann auch zusätzlich mit einer Systemleiterplatte verbunden werden.

Claims (3)

1. Intelligentes Leistungsmodul,
  • - mit einem Leistungsteil, dessen elektronische Bau­ elemente (1) auf einem Leistungssubstrat (2) aufgebaut sind, und einem Logikteil, dessen Bauelemente (3, 4, 5, 6) auf einer Mehrlagenleiterplatte (7, 8) aufgebaut sind, die eine Aussparung (10) aufweist, in der das Lei­ stungsteil angeordnet und mit dem Logikteil elektrisch verbunden ist,
  • - wobei die Mehrlagenleiterplatte (7, 8) einen Lami­ nataufbau aus leitend beschichteten Lagen aufweist, de­ ren Trägerwerkstoff jeweils aus einem Glasfaser- Harzgewebe besteht,
  • - und wobei die Mehrlagenleiterplatte aus zwei Teilen (7, 8) besteht, die durch einen dünnen Zwischenabschnitt verbunden sind, in dem alle unteren Lagen der Mehrlagen­ leiterplatte (7, 8) nicht vorhanden sind und nur die bauelementeseitig oberste Lage als flexible elektrische und mechanische Verbindungslage (9) zwischen beiden Tei­ len (7, 8) biegbar weitergeführt ist.
2. Intelligentes Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Verbindungslage (9) um 180° gebogen ist, so daß die beiden Teile (7, 8) sandwichartig übereinanderge­ klappt sind.
3. Intelligentes Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, die Aussparung (10) aufweisende Teil (7) der Mehrlagenleiterplatte und das zweite, hochgeklappte Teil (8) etwa gleich groß sind, daß das erste Teil (7) auf einer Kühl­ platte (11) montiert ist, die größer als die Leistungssub­ stratfläche ist, und daß die elektrischen Verbindungen (12) zwischen dem Leistungssubstrat (2) und dem ersten Teil (7) der Mehrlagenleiterplatte mittels Drahtbondtechnik (12) her­ gestellt sind.
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