EP3146563A1 - Kommutierungszelle - Google Patents

Kommutierungszelle

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EP3146563A1
EP3146563A1 EP15718847.5A EP15718847A EP3146563A1 EP 3146563 A1 EP3146563 A1 EP 3146563A1 EP 15718847 A EP15718847 A EP 15718847A EP 3146563 A1 EP3146563 A1 EP 3146563A1
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EP
European Patent Office
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commutation cell
semiconductor switch
controllable semiconductor
circuit carrier
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15718847.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Daves
Knut Alexander KASPER
Silvia DUERNSTEINER
Martin Rittner
Michael Guenther
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommutierungszelle (7, 16) mit wenigstens einer elektrischen Kapazität (8), wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und wenigstens einem Halbleiter (10), der in Reihe zu dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) geschaltet ist, gekennzeichnet durch drei parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger (11, 12, 13), wobei der steuerbare Halbleiterschalter (9) über einen teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und dem Halbleiter (10) angeordneten Schaltungsträger (12) in Reihe zu dem Halbleiter (10) geschaltet ist, wobei die beiden übrigen Schaltungsträger (11, 13) über eine aus dem steuerbaren Halbleiterschalter (9), dem Halbleiter (10) und dem teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und dem Halbleiter (10) angeordneten Schaltungsträger (12) gebildete Baugruppe (14) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und wobei die elektrische Kapazität (8) separat von der Baugruppe (14) zwischen die beiden übrigen Schaltungsträger (11, 13) geschaltet ist.

Description

Beschreibung Titel
Kommutierungszelle Stand der Technik
Kommutierungszellen sind als Teile von elektrischen Schaltungen bekannt, wie sie beispielsweise in Waschmaschinen, Gebläselüftern, elektrischen
Servolenkungen und elektrischen Antrieben von Kraftfahrzeugen verbaut sind.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer herkömmlichen
Kommutierungszelle 1, in der sich eine durch einen Schaltvorgang initiierte Stromänderung abspielen kann. Die Kommutierungszelle 1 umfasst einen steuerbaren Halbleiterschalter 2 und eine in Reihe zu dem steuerbaren
Halbleiterschalter geschaltete Halbleiterdiode 3. Mit der Kommutierungszelle 1 wird ein elektrisches Potential an einem dynamischen Knoten 4 verändert. Die physikalische Realisierung der Kommutierungszelle 1 ist durch die Geometrie und weitere Eigenschaften der zu ihrer Ausbildung verwendeten elektrischen Bauteile sowie durch Leiterbahnen der Kommutierungszelle 1 bestimmt. Durch die Kommutierungszelle 1 wird eine Leiterschleife 5 ausgebildet, welche parasitäre Induktivitäten in der Kommutierungszelle 1 erzeugt, die schematisch durch die elektrischen Bauteile 6 angedeutet sind. Diese parasitären
Induktivitäten werden durch die jeweilige Ausgestaltung der elektrischen Bauteile und die jeweilige Aufbau- und Verbindungstechnik der Kommutierungszelle 1 erzeugt.
Herkömmliche Kommutierungszellen sind üblicherweise aus elektrischen Bauteilen aufgebaut, die, beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Anordnung, nebeneinander an einem Schaltungsträger angeordnet sind, und weisen durch Verdrahtungselemente, wie beispielsweise Bonddrähte, und erforderliche Abstände, insbesondere zur Wärmespreizung, zwischen den elektrischen Bauteilen hohe parasitäre Induktivitäten auf.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Kommutierungszelle mit wenigstens einer elektrischen Kapazität, wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter und wenigstens einem Halbleiter, der in Reihe zu dem steuerbaren Halbleiterschalter geschaltet ist, gekennzeichnet durch drei parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger, wobei der steuerbare Halbleiterschalter über einen teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter und dem Halbleiter angeordneten Schaltungsträger in Reihe zu dem Halbleiter geschaltet ist, wobei die beiden übrigen Schaltungsträger über eine aus dem steuerbaren Halbleiterschalter, dem Halbleiter und dem teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter und dem Halbleiter angeordneten Schaltungsträger gebildete Baugruppe elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und wobei die elektrische Kapazität separat von der Baugruppe zwischen die beiden übrigen Schaltungsträger geschaltet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Kommutierungszelle sind die elektrischen Bauteile nicht wie herkömmlich nebeneinander an einem Schaltungsträger angeordnet. Des Weiteren sind keine herkömmlich notwendigen Verdrahtungselemente, wie beispielsweise Bonddrähte, und herkömmlich erforderliche Abstände, insbesondere zur Wärmespreizung, zwischen den elektrischen Bauteilen vorhanden. Mit der Erfindung wird daher eine im Vergleich zu herkömmlichen Kommutierungszellen sehr kompakt aufgebaute Kommutierungszelle
vorgeschlagen, was mit einer Minimierung einer eingeschlossenen Leiterschleife und somit der damit verbundenen parasitären Induktivitäten verbunden ist. Die erfindungsgemäße Kommutierungszelle weist somit drei übereinander liegende Verdrahtungsebenen auf. Durch den Einsatz einfacher Materialien, wie beispielsweise Kupfer, für die Schaltungsträger ergeben sich des Weiteren Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Kommutierungszellen. Die
erfindungsgemäße Kommutierungszelle weist zudem optimale
Entwärmungseigenschaften auf, da eine doppelseitige Kühlung und eine Wärmespreizung nahe an einem im Betrieb Wärme erzeugenden elektrischen Bauteil möglich sind. Bessere Entwärmungseigenschaften können eine höhere Effizienz und insbesondere höhere Leistungsdichten und dadurch eine bessere Materialausnutzung ermöglichen.
Die Schaltungsträger können als Stanzgitter, Leiterplatten, Laminate,
AMB(„active metal braze")-Substrate, DCB(direct copper bonded)-Substrate, Leiterbahnenzüge oder dergleichen ausgebildet sein. Der Abstand der
Schaltungsträger voneinander ist durch die Dimensionierung des steuerbaren Halbleiterschalters, des Fügespaltes und des Halbleiters limitiert.
Der Halbleiter kann als passiver Halbleiter, beispielsweise als Halbleiterdiode, oder ebenfalls als ansteuerbarer Halbleiterschalter ausgebildet sein.
Die elektrische Kapazität kann als Keramikvielschicht-Chipkondensator (MLCC) oder auch als Mehrlagen-Silikon-on-lnsulator(SOI)-Kondensator ausgebildet sein, wobei Letzteres einer raumsparenden Ausgestaltung einer
erfindungsgemäßen Kommutierungszelle entgegenkommt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kommutierungszelle zwei körperlich im Wesentlichen gleich aufgebaute, miteinander verbindbare
Kommutierungszellenteile auf, wobei der teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter und dem Halbleiter angeordnete Schaltungsträger zwei parallel zueinander anordbare, miteinander verbindbare Schaltungsträgerteile und die elektrische Kapazität zwei Elektroden aufweist, wobei der eine
Kommutierungszellenteil durch das eine Schaltungsträgerteil, die eine Elektrode der elektrischen Kapazität, den steuerbaren Halbleiterschalter und einen der übrigen Schaltungsträger und der andere Kommutierungszellenteil durch das andere Schaltungsträgerteil, die andere Elektrode der elektrischen Kapazität, den Halbleiter und den anderen der übrigen Schaltungsträger gebildet ist. Die beiden Kommutierungszellenteile können vor ihrer Verbindung miteinander auf
Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Durch die Verwendung von zwei miteinander verbindbaren Kommutierungszellenteilen wird ein Montagerisiko einer verdeckten Montage minimiert, insbesondere indem die einzelnen
Kommutierungszellenteile 2-seitig aufgebaut und anschließend mit einem einfachen Montageschritt miteinander verbunden werden. Ein 2-seitiger Aufbau eines Kommutierungszellenteils bewirkt zudem eine vollumfängliche
Zugänglichkeit bei einer Montage und einer Inspektion. Ferner sind mit dieser Ausgestaltung im Vergleich zu herkömmlichen komplexen Fertigungsprozessen Kostenvorteile durch das relativ einfache Verbinden von zwei
Kommutierungszellenteilen zu einer Kommutierungszelle verbunden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltungsträgerteile und die Elektroden der elektrischen Kapazität jeweils über eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht miteinander verbunden. Dies stellt eine gängige und etablierte Verbindungstechnologie dar, was die Herstellung der Kommutierungszelle vereinfacht. Als Fügeverfahren kommt beispielsweise ein Lötverfahren, insbesondere Weichlöten, Leitkleben, Sintern, insbesondere Silbersintern, oder dergleichen in Frage. Diese Fügeverfahren haben
gemeinsam, dass mit ihnen ein metallischer Kontakt zwischen zu fügenden Bauteilen ausbildet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen den miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen von wenigstens einem
Kommutierungszellenteil jeweils eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht angeordnet ist. Wird als Fügeverfahren beispielsweise ein
Lötverfahren gewählt und soll ein derartig ausgebildetes Kommutierungszellenteil mit dem jeweilig anderen Kommutierungszellenteil zur Ausbildung der
Kommutierungszelle ebenfalls über ein Lötverfahren verbunden werden, müssen die Eigenschaften der zur Ausbildung des Kommutierungszellenteils einerseits und der Kommutierungszelle andererseits verwendeten Lote aufeinander abgestimmt werden. Bei Loten ist eine Lothierarchie einzuhalten, welche verhindert, dass es beim Verbinden der Kommutierungszellenteile mittels eines Lötverfahrens zu einem erneuten Aufschmelzen und Ablegieren der
Fügeschichten des wenigstens einen Kommutierungszellenteils kommt, bei dem zwischen den miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen jeweils eine mittels eines Lötverfahrens ausgebildete Fügeschicht angeordnet ist. Bei der Verwendung von Fügeverfahren über den Mechanismus der Festkörperdiffusion, beispielsweise Diffusionslöten oder Sintern, ist auf eine geeignete Metallisierung und eine geeignete Konstruktion zu achten, die einen Fügehilfsdruck aufbringen kann. Es wird des Weiteren als vorteilhaft erachtet, wenn zwischen miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen von wenigstens einem
Kommutierungszellenteil jeweils eine mittels eines Silbersinter- Verfahrens ausgebildete Fügeschicht angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da ein durch ein
Silbersinter- Verfahren gebildetes Fügematerial nicht bei einer für ein
Lötverfahren typischen Fügetemperatur von etwa 250°C bis 300°C aufschmilzt, sondern im festen Zustand verbleibt. Folglich muss keine Abstimmung von verschiedenen Loten aufeinander entsprechend der vorgenannten Ausgestaltung erfolgen, um beim Verbinden der beiden Kommutierungszellenteile ein
Schmelzen von Fügeschichten der einzelnen Kommutierungszellenteile zu verhindern.
Vorteilhafterweise ist in wenigstens einer Fügeschicht zumindest ein
Abstandelement angeordnet. Dies schafft eine größere Gestaltungfreiheit bei der Entwicklung einer Kommutierungszelle, da eine Kommutierungszelle in gewissem Maß unabhängig von der jeweiligen Geometrie der elektrischen Kapazität, des steuerbaren Halbleiterschalters und/oder des Halbleiters entworfen werden kann. In einer Fügeschicht können auch zwei oder mehrere Abstandselemente angeordnet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in wenigstens einer
Fügeschicht zumindest ein Ausgleichselement zum Ausgleichen von
verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der über die Fügeschicht miteinander verbundenen elektrischen Bauteile angeordnet. Das
Ausgleichselement kann beispielsweise aus Molybdän gebildet sein. Das Ausgleichselement kann gleichzeitig auch als Abstandelement eingesetzt werden. In einer Fügeschicht können auch zwei oder mehrere
Ausgleichselemente angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kommutierungszelle eine äußere elektrische Isolierung auf. Die äußere elektrische Isolierung kann durch einen Verguss oder einen Abguss realisiert sein. Ein solcher Verguss bzw. Abguss kann auch zur Schaffung einer ausreichenden mechanischen Stabilität einer Kommutierungszelle und zum Erfüllen von Erfordernissen bezüglich des Feuchtigkeitsempfindlichkeitsschwellwerts („Moisture Sensitivity Level", MSL), welcher ein Maß für die Belastbarkeit der Schaltung mit Umwelteinflüssen ist, dienen. Die ausschließliche Anordnung einer äußeren elektrischen Isolierung an einer Kommutierungszelle ermöglicht eine maximale Wärmespreizung nahe an den elektrischen Bauteilen der Kommutierungszelle. Die elektrische Isolierung kann auch TIM(„Thermal Interface Material") -Materialien aufweisen. Alternativ kann ein Schaltungsträger als Keramik-Metall-Verbund ausgebildet werden.
Femer wird es als vorteilhaft erachtet, wenn die Kommutierungszelle wenigstens eine elektronische Steuereinheit zum Steuern des steuerbaren
Halbleiterschalters aufweist. Die elektronische Steuereinheit kann über eine herkömmliche Bond-Technologie oder über wenigstens einen Schaltungsträger mit dem steuerbaren Halbleiterschalter und/oder dem Halbleiter verbunden sein, an dem die elektronische Steuereinheit angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
Fig. 1: einen Schaltplan einer herkömmlichen Kommutierungszelle,
Fig. 2: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Kommutierungszelle,
Fig. 3: eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Kommutierungszelle, und Fig. 4: eine schematische Schnittdarstellung eines Kommutierungszellenteils der in Figur 3 gezeigten Kommutierungszelle.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Kommutierungszelle 7. Die Kommutierungszelle 7 weist eine elektrische Kapazität 8, einen steuerbaren Halbleiterschalter 9 und einen Halbleiter 10 auf, der in Reihe zu dem steuerbaren Halbleiterschalter 9 geschaltet ist. Des Weiteren umfasst die Kommutierungszelle 7 drei parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger 11, 12 und 13, wobei der steuerbare Halbleiterschalter 9 über einen teilweise zwischen dem steuerbaren
Halbleiterschalter 9 und dem Halbleiter 10 angeordneten Schaltungsträger 12 in Reihe zu dem Halbleiter 10 geschaltet ist. Die beiden übrigen Schaltungsträger 11 und 13 sind über eine aus dem steuerbaren Halbleiterschalter 9, dem
Halbleiter 10 und dem teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter 9 und dem Halbleiter 10 angeordneten Schaltungsträger 12 gebildete Baugruppe 14 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die elektrische Kapazität 8 ist separat von der Baugruppe 14 zwischen die beiden übrigen Schaltungsträgern 11 und 13 geschaltet. Zwischen den miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen 8 bis 13 der Kommutierungszelle 7 ist jeweils eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht 15 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Kommutierungszelle 16, welche sich von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch unterscheidet, dass sie zwei körperlich im Wesentlichen gleich aufgebaute, miteinander verbindbare Kommutierungszellenteile 17 und 18 aufweist. Der Schaltungsträger 12, über das der steuerbare Halbleiterschalter 9 in Reihe zu dem Halbleiter 10 geschaltet ist, weist zwei parallel zueinander angeordnete Schaltungsträgerteile 19 und 20 und die elektrische Kapazität 8 weist zwei Elektroden 21 und 22 auf. Der eine Kommutierungszellenteil 17 ist durch das Schaltungsträgerteil 19, die Elektrode 21 der elektrischen Kapazität 8, den steuerbaren Halbleiterschalter 9 und den Schaltungsträger 11 und der andere Kommutierungszellenteil 18 ist durch das Schaltungsträgerteil 20, die Elektrode 22 der elektrischen Kapazität 8, den Halbleiter 10 und den
Schaltungsträger 13 gebildet. Die Schaltungsträgerteile 19 und 20 und die Elektroden 21 und 22 der elektrischen Kapazität 8 sind jeweils über eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht 23 miteinander verbunden. Zwischen den miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen 9, 11, 15, 19 und 21 bzw. 10, 13, 15, 20 und 22 der Kommutierungszellenteile 17 bzw. 18 ist jeweils eine mittels eines auf das zuvor genannte Fügeverfahren abgestimmten Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht 15 angeordnet.

Claims

Ansprüche
1. Kommutierungszelle (7, 16) mit wenigstens einer elektrischen Kapazität (8), wenigstens einem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und wenigstens einem Halbleiter (10), der in Reihe zu dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) geschaltet ist, gekennzeichnet durch drei parallel zueinander angeordnete Schaltungsträger (11, 12, 13), wobei der steuerbare Halbleiterschalter (9) über einen teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und dem Halbleiter (10) angeordneten Schaltungsträger (12) in Reihe zu dem Halbleiter (10) geschaltet ist, wobei die beiden übrigen Schaltungsträger (11, 13) über eine aus dem steuerbaren Halbleiterschalter (9), dem Halbleiter (10) und dem teilweise zwischen dem steuerbaren Halbleiterschalter (9) und dem Halbleiter (10) angeordneten Schaltungsträger (12) gebildete Baugruppe (14) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und wobei die elektrische Kapazität (8) separat von der Baugruppe (14) zwischen die beiden übrigen Schaltungsträger (11, 13) geschaltet ist.
2. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei körperlich im Wesentlichen gleich aufgebaute, miteinander verbindbare Kommutierungszellenteile (17, 18), wobei der Schaltungsträger (12), über das der steuerbare Halbleiterschalter (9) in Reihe zu dem Halbleiter (10) geschaltet ist, zwei parallel zueinander anordbare, miteinander verbindbare Schaltungsträgerteile (19, 20) und die elektrische Kapazität (8) zwei
Elektroden (21, 22) aufweist, wobei der eine Kommutierungszellenteil (17) durch das eine Schaltungsträgerteil (19), die eine Elektrode (21) der elektrischen Kapazität (8), den steuerbaren Halbleiterschalter (9) und einen der übrigen Schaltungsträger (11) und der andere Kommutierungszellenteil (18) durch das andere Schaltungsgitterteil (20), die andere Elektrode (22) der elektrischen Kapazität (8), den Halbleiter (10) und den anderen der übrigen Schaltungsträger (13) gebildet ist.
3. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsträgerteile (19, 20) und die Elektroden (21, 22) der elektrischen Kapazität (8) jeweils über eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht (23) miteinander verbunden sind.
4. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen den miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen (9, 10, 11, 13, 15, 19, 20, 21, 22) von wenigstens einem
Kommutierungszellenteil (17, 18) jeweils eine mittels eines Fügeverfahrens ausgebildete Fügeschicht (15) angeordnet ist.
5. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen miteinander verbundenen elektrischen Bauteilen (9, 10, 11, 13, 15, 19, 20, 21, 22) von wenigstens einem
Kommutierungszellenteil (17, 18) jeweils eine mittels eines Silbersinter- Verfahrens ausgebildete Fügeschicht (15) angeordnet ist.
6. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Fügeschicht (15, 23) zumindest ein Abstandelement angeordnet ist.
7. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Fügeschicht (15, 23) zumindest ein Ausgleichselement zum Ausgleichen von verschiedenen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der über die Fügeschicht (15, 23) miteinander verbundenen elektrischen Bauteile (9, 10, 11, 13, 15, 19, 20, 21, 22) angeordnet ist.
8. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch eine äußere elektrische Isolierung.
9. Kommutierungszelle (7, 16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch wenigstens eine elektronische Steuereinheit zum Steuern des steuerbaren Halbleiterschalters (9).
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