DE60113337T2

DE60113337T2 - Elektronisches Leistungsmodul mit elektronischen Hochleistungsbauteilen und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60113337T2
Application number: DE60113337T
Authority: DE
Inventors: Alain Petitbon
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: FR2810845B1; CA2351106A1; ES2248251T3; US20020001177A1; FR2810845A1; EP1168906A1; EP1168906B1; DE60113337D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit elektronischen Hochleistungsbauteilen und ein Herstellungsverfahren für ein solches Leistungsmodul. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungsmodul, das eine Grundplatte umfasst, die einen Last-Wärmeaustauscher bildet, um die Leistungsverluste durch den Joule-Effekt von den Hochleistungsbauteilen abzuführen.
Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei der Herstellung von Wechselrichtern auf dem Gebiet der mittleren Leistungen insbesondere bei den Verkehrsanwendungen vom Typ Elektrofahrzeuge, für Welche die Leistungen die Größenordnung von 30 bis 200 kW und die Spannungen an den Anschlussklemmen der Leistungsmodule die Größenordnung von 500 V bis 2000 V haben.
Ein Leistungsmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs ist aus der Druckschrift EP-A-0 798 954 bekannt.
Es ist bekannt, ein Leistungsmodul auszuführen, das aus Hochleistungsbauteilen besteht, die auf eine Schicht aus Aluminium gelötet sind, die auf einer Seite eines keramischen Substrats aus Aluminiumnitrid AlN angeordnet ist, wobei die andere Seite des keramischen Substrats AlN mit einer Schicht aus Aluminium überzogen ist und an eine Grundplatte aus AlSiC-Verbundstoff angefügt ist, die einen Wärmeaustauscher bildet. Bei einem solchen Leistungsmodul stellt das Substrat aus AlN die elektrische Isolierung der Bauteile auf hohem Potential bezüglich der auf Masse gelegten Grundplatte aus AlSiC sicher, ein solches Substrat aus Aluminiumnitrid AlN ist jedoch relativ teuer und im Handel nur mit einer Mindestdicke von 0,635 mm verfügbar, wohingegen für bestimmte Anwendung und insbesondere zum Halten der Spannungen bei Elektrofahrzeugen eine Dicke von 0,1 mm ausreichend ist, um die Isolation sicherzustellen. Diese Nachteile führen zu Leistungsmodulen, die für die Kraftfahrzeuganwendungen zu kostspielig sind.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Leistungsmodul vorzuschlagen, das eine gute Wärmeabfuhr für die von den Hochleistungsbauteilen freigesetzte Leistung verschafft und das einfach und ökonomisch herzustellen ist.
Die Erfindung hat ein Leistungsmodul mit elektronischen Hochleistungsbauteilen zum Gegenstand, das eine Grundplatte umfasst, die einen Last-Wärmetauscher bildet, um die Leistungsverluste durch den Joule-Effekt der Hochleistungsbauteile abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte eine Seite aufweist, die mit einer Schicht aus einer Aluminiumlegierung versehen ist, wobei diese letztere mit einer isolierenden Schicht aus Aluminiumoxid überzogen ist, die durch anodische Oxidation der Schicht aus einer Aluminiumlegierung erhalten wurde, wobei die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid ein Substrat bildet, auf dem die metallisierten Bahnen ausgeführt sind, um die elektronischen Bauteile aufzunehmen, wobei die andere Seite der Grundplatte mit einem Kühlfluid in Kontakt steht.
Gemäß besonderen Ausführungsformen kann das Leistungsmodul eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen, einzeln oder entsprechend allen technisch möglichen Kombinationen genommen:

– die Grundplatte besteht aus AlSiC-Verbundstoff;
– die Grundplatte besteht aus Aluminium:
– die mit dem Kühlfluid in Kontakt stehende Grundplatte weist in das Innere des Fluids eintauchende Stifte oder Mikrokanäle auf, wobei die Stifte oder Mikrokanäle direkt in der Grundplatte oder in einer auf die Grundplatte aufgesetzte Aluminiumschicht ausgeführt sind;
– die metallisierten Bahnen sind durch Kupferablagerung ausgeführt;
– die Hochleistungsbauteile sind auf die Kupferbahnen gelötet;
– die Hochleistungsbauteile sind IGBT-Bauteile (Isolierschicht-Bipolartransistor-Bauteile);
– drei Gruppen von IGBT-Bauteilen sind auf dasselbe Substrat gelötet, wobei die Bahnen jeder IGBT-Gruppe voneinander getrennt sind, so dass zwei Substrate einen dreiphasigen Wechselrichter bilden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des vorher beschriebenen Leistungsmodul, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht durch anodische Oxidation der Schicht aus einer Aluminiumlegierung in Schwefelsäure in der Nähe von 0°C erhalten wird.
Gemäß besonderen Ausführungsformen kann das Herstellungsverfahren eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen, einzeln oder entsprechend allen technisch möglichen Kombinationen genommen:

– die erhaltene Oxidschicht wird in heißes Wasser getaucht, um an der Oberfläche Aluminiumhydroxid auszubilden, um die Porosität der Aluminiumoxidschicht zu verringern;
– die die Grundplatte bedeckende Schicht aus einer Aluminiumlegierung wird direkt beim Formen der Grundplatte durch eine angepasste Gestalt der Gießform erhalten;
– die Aluminiumoxidschicht wird durch elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf vorher durch Behandlung mit dem Ultraviolett-Laser aktivierten Bahnen metallisiert, wobei die Kupferbahnen anschließend durch einen stromlosen Vorgang vernickelt werden.

Die Ziele, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach der nachfolgenden gegebenen Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung, die als nicht einschränkendes Beispiel gegeben sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden, in welchen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, das an einem Wassersammler angebracht ist;
2 ist eine Ansicht des Leistungsmoduls von 1 von unten;
3 ist eine Ansicht des Leistungsmoduls von 1 von oben;
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Um das Lesen der Zeichnung zu erleichtern, wurden nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt.
1 stellt ein Leistungsmodul 1 dar, das mit einem Wassersammler 10 aus einem Pressstoff verbunden ist, der einen Gang 11 umfasst, in welchem das Kühlwasser zirkuliert.
Das Leistungsmodul 1 umfasst eine Grundplatte 3 aus AlSiC-(Aluminium-Siliciumcarbid)Verbundstoff, die in dichter Weise an dem Wassersammler 10 befestigt ist und eine Unterseite umfasst, die mit Stiften 3b, in 2 dargestellt, versehen ist, die in den Fluidgang 11 des Sammlers 10 eintauchen und den Wärmeaustausch zwischen der Grundplatte 3 Aus AlSiC und dem Kühlmittel fördern.
Die Oberseite der Grundplatte 3 aus AlSiC umfasst eine Schicht 4 aus einer Aluminiumlegierung, die mit einer Aluminiumoxidschicht 5 mit einer Dicke von 50 μm bis 100 μm bedeckt ist, die eine elektrische Isolierung sicherstellt, die gestattet, Differenzspannungen zwischen den beiden Seiten der Aluminiumoxidschicht von mehr als 1000 V ohne Durchbruch zu auszuhalten.
Die Grundplatte 3, die mit ihrer Aluminiumoxidschicht 5 versehen ist, bildet ein Substrat, auf welchem entsprechend einem vorbestimmten Verlauf Bahnen 6 metallisiert sind, um als Stromabnehmer für drei Gruppen von IGBT-Bauteilen 7 zu dienen, die auf die metallisierten Bahnen 6 gelötet sind. Vorteilhafterweise sind, wie es in 3 dargestellt ist, die Bahnen 6 für die Versorgung jedes der drei IGBT voneinander getrennt, um die Ausführung eines halben dreiphasigen Wechselrichters auf einem einzigen Substrat zu gestatten.
Nun wird das Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls beschrieben.
Die Grundplatte 3 aus AlSiC wird in herkömmlicher Weise durch Einspritzen von Aluminium in eine Form auf Fasern aus Siliciumcarbid ausgeführt, wobei die Gestalt der Form angepasst ist, so dass sich die Schicht 4 aus Aluminium an der Oberseite der Grundplatte 3 aus AlSiC bildet. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann Unterseite der Grundplatte 3, die mit dem Kühlfluid in Kontakt steht, auch eine Schicht aus Aluminium umfassen, die Stifte oder Mikrokanäle aufweist, die direkt beim Formvorgang der Grundplatte 3 durch eine angepasste Gestalt der Form ausgeführt wird.
Die Schicht 4 aus einer Aluminiumlegierung der Grundplatte 3 wird anschließend durch anodische Oxidation der Schicht 4 in Schwefelsäure mit einer Aluminiumoxidschicht 5 bedeckt. Bei Umgebungstemperatur gestattet diese anodische Oxidation, eine Aluminiumoxiddicke in der Größenordnung von 20 μm zu erhalten, wobei die Aluminiumoxiddicke durch die Auflösung des in der Säure gebildeten Oxids begrenzt ist. Vorzugsweise wird die anodische Oxidation bei einer Temperatur von 0°C ausgeführt, um eine größere Aluminiumoxiddicke, bis 100 μm zu erhalten, und die so erhaltene Oxidablagerung wird in heißes Wasser getaucht, um die Porosität der Aluminiumoxidschicht 5 durch Bildung von Aluminiumhydroxid zu verringern.
Selbstverständlich hängt die Dicke der so gebildeten Aluminiumoxidschicht 5 auch vom Aluminiumgehalt der Legierung ab, die zur Bildung der Schicht 4 verwendet wird, weil die Dicke der durch anodische Oxidation erzeugten Aluminiumoxidschicht 5 um so größer ist, je reicher die verwendete Legierung an Aluminium ist.
Die Oberseite 5a der Aluminiumoxidschicht wird anschließend durch elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf vorher durch UV-Laser-Behandlung aktivierte Bahnen 6 metallisiert, dann durch einen stromlosen Vorgang vernickelt, wobei die Haftung der Metallschichten durch Tempern bei 400–500°C verstärkt, das für das Aluminium und seine Legierungen zulässig ist. Ein ähnliches Metallisierungsverfahren ist in der Patentanmeldung FR-A1-2 681 078 beschrieben. Die IGBT-Bauteile 7 werden anschließend in herkömmlicher Weise auf die Kupferbahnen 6 gelötet.
Ein solches Herstellungsverfahren gestattet dank der gegenseitigen Durchdringung der Schicht 5 mit der Schicht 4, eine sehr gute Wärmeleitung zwischen der Aluminiumoxidschicht 5 und der Schicht 4 zu haben. Außerdem bildet die Schicht 4 beim direkten Erhalt beim Formen der Grundplatte 3 aus AlSiC einen einzigen Körper mit der Grundplatte 3 ohne Trennungsgrenzfläche, was eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zwischen der Schicht 4 und der Grundplatte 3 sicherstellt.
Folglich gestattet ein solches Herstellungsverfahren, ein weniger teures Leistungsmodul auszuführen, das auf Grund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit zwischen den verschiedenen Schichten eine gute Kühlung der Hochleistungsbauteile des Leistungsmoduls sicherstellt. Überdies weist das so erhaltene Substrat sehr geringe Wärmedehnungsunterschiede zwischen den Schichten auf und besitzt somit eine sehr gute Zuverlässigkeit, indem es eine sehr geringe Gefahr der Schichtspaltung der Lötungen nach einer großen Zahl von Wärmezyklen aufweist.
Ein solches Herstellungsverfahren gestattet auch, die Dicke der Aluminiumoxidschicht, die den elektrischen Isolator bildet, nötigenfalls für das Leistungsmodul anzupassen, um die Dicke der Oxidschicht zu minimieren und so den Wärmewiderstand zu verringern.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmodul, die sich von der vorher beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Grundplatte 3 vollständig aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist. Entsprechend dieser 4 weist das Leistungsmodul 1 eine Grundplatte 3 aus Aluminium auf, die eine Unterseite in Kontakt mit dem Kühlfluid aufweist, die mit direkt bei der Formung der Grundplatte 3 aus Aluminium erhaltenen Stiften versehen ist. Die Oberseite der Grundplatte 3 ist mit einer Aluminiumoxidschicht 5 bedeckt, die durch anodische Oxidation entsprechend einem Vorgang erhalten wurde, der dem ähnlich ist, der für die erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde. Auf der Aluminiumoxidschicht 5 sind entsprechend einem Vorgang, der demjenigen ähnlich ist, der für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, Bahnen metallisiert, um als Stromabnehmer für drei Gruppen von IGBT-Bauteilen 7 zu dienen, wobei diese letzteren mittels eines weichen Lots vom Zinn-, Blei- oder Silbertyp, das fähig ist, die differentiellen Dehnungen anzugleichen.
Eine solche Ausführungsvariante der Erfindung gestattet, die Herstellungskosten für das Leistungsmodul noch zu verringern, indem die Verwendung eines Verbundstoffs aus AlSiC weggelassen und durch eine Aluminiumlegierung ersetzt wird. Das so erhaltene Leistungsmodul weist jedoch wegen der größeren differentiellen Dehnung zwischen den Hochleistungsbauteilen und der Grundplatte aus Aluminium eine weniger gute Zuverlässigkeit im Wärmezyklus auf und erfordert somit die Verwendung eines weichen Lots, um die Bauteile anzulöten.

Claims

Leistungsmodul (1) mit elektronischen Hochleistungsbauteilen (7), das eine Grundplatte (3) umfasst, die einen Last-Wärmetauscher zum Abführen der Leistungsverluste durch den Joule-Effekt der Hochleistungsbauteile bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) eine Seite aufweist, die mit einer Schicht (4) aus einer Aluminiumlegierung versehen ist, wobei die Schicht (4) mit einer isolierenden Schicht (5) aus Aluminiumoxid bedeckt ist, die durch anodische Oxidation der Schicht (4) erhalten wurde, wobei die isolierenden Schicht (5) ein Substrat bildet, auf dem metallisierte Bahnen (6) ausgeführt sind, um die elektronischen Bauteile (7) aufzunehmen, wobei die andere Seite der Grundplatte (3) mit einem Kühlfluid in Kontakt steht.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) aus einem AlSiC-Verbundstoff besteht.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) aus Aluminium besteht.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der Grundplatte (3) im Kontakt mit dem Kühlfluid Stifte (3b) oder Mikrokanäle aufweist, die in das Innere des Fluids eintaucht, wobei die Stifte (3b) oder Mikrokanäle direkt in der Grundplatte (3) oder in einer an die Grundplatte (3) angesetzten Aluminiumschicht ausgeführt sind.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierten Bahnen (6) durch Abscheidung von Kupfer ausgeführt sind.
Leistungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochleistungsbauteile (7) auf die Kupferbahnen (6) gelötet sind.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochleistungsbauteile (7) IGBT-Bauteile sind.
Leistungsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Gruppen von IGBT-Bauteilen (7) auf dasselbe Substrat gelötet sind, wobei die Bahnen (6) jeder IGBT-Gruppe (7) voneinander getrennt sind, so dass zwei Substrate einen dreiphasigen Wechselrichter bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht (5) durch anodische Oxidation der Schicht (4) aus einer Aluminiumlegierung in Schwefelsäure in der Nähe von 0°C erhalten wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die so erhaltene Schicht (5) in heißes Wasser getaucht wird, um Aluminiumhydroxid an der Oberfläche auszubilden, um die Porosität der Aluminiumoxidschicht (5) zu verringern.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) aus einer Aluminiumlegierung, die die Grundplatte (3) bedeckt, direkt bei der Formung der Grundplatte (3) durch eine angepasste Gestalt der Form erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht (5) durch elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf vorher durch Ultraviolettlaser-Behandlung aktivierten Bahnen metallisiert wird, wobei die Kupferbahnen (6) anschließend durch einen stromlosen Vorgang vernickelt werden.