Beschreibung
Hochspannungsmodul und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsmodul mit einem Gehäuse zur Aufnahme mindestens eines Bauelements, das auf einem Substrat aus einer Keramikschicht mit einer ersten Haupt- seite und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite, einer oberen Metallschicht auf der ersten Hauptseite und einer unteren Metallschicht auf der zweiten Hauptseite befestigt ist, wobei der Schaltungsaufbau in einen eichverguss eingegossen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochspannungsmoduls.
In der Elektronik und der Elektrotechnik werden in der Regel Bauelemente auf Platten oder einem zweiseitig metallisierten Isoliermaterial montiert. So werden beispielsweise in der Leistungselektronik beidseitig Cu-beschichtete Keramik- platten verwendet, wobei die Keramikplatte einen Isolator mit einer vorgegebenen Dielektrizitätskonstante darstellt. Auf der strukturierten Metallschicht werden die Bauelemente montiert und beispielsweise mit Vergussmasse ausgefüllt.
Dabei treten insbesondere an den seitlichen Rändern der oberen Metallschicht auf Grund der zwischen den Kontaktflächen anliegenden hohen Spannungen sehr hohe elektrische Feldstärken auf. Beispielsweise beträgt die Feldstärke bis zu 50 kV/mm bei einer Spannung von 5000 V. Bei dieser Feldstärke können wegen der Überschreitung der Durchbruchspannung an dem
Übergang zur Vergussmasse, also zum Isolator, die Isolationsanforderungen, die an Leistungsmodule gestellt werden, nicht mehr zuverlässig eingehalten werden.
Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau eines vergossenen Schaltungselements nach dem Stand der Technik. Das in der Figur 1 gezeigte AlN-Substrat, auf dem die Schaltung aufgebaut ist,
ist mit 1 bezeichnet. Das Substrat ist ein Isolator hoher Güte, im allgemeinen eine Keramikplatte, die eine Dielektrizitätskonstante von etwa 10 aufweist.
Der Isolator 1 ist beispielsweise auf einer Kupferbodenplatte 2 (oder AlSiC-Bodenplatte) befestigt, die sowohl zur mechanischen Stabilisierung der Schaltung als auch zur thermischen Verbindung der Schaltung nach außen dient . Die Kupferbodenplatte 2 haltert damit einerseits die Bauelemente der Schal- tung und sorgt andererseits dafür, dass Wärme von den Bauelementen zu einem in der Figur 1 nicht dargestellten Kühlkörper abgeleitet wird. Dabei ist das AlN-Substrat über Lötverbindungen 3 mit der Kupferbodenplatte 2 verbunden.
Die elektronische Schaltung umfasst in der dargestellten Form einen IGBT 4 und eine Diode 5, die beispielsweise für Spannungen von 1600 V ausgelegt sind. Diese Bauelemente 4 und 5 sind beispielsweise mit Aluminium-Dickdrahtbonding-Drähten 6 und/oder über Metallisierungen auf dem Isolator miteinander verbunden. Die AI-Drähte haben bei dem Dickdrahtbonding vorzugsweise eine Dicke von etwa 200 bis 500 μm.
Der gesamte Schaltungsaufbau gemäss dem Stand der Technik wird in einen Weichverguss 8, beispielsweise aus Silikon-Gel eingegossen und anschließend in ein Gehäuse aus Kunststoff 9 eingebaut. Das Kunststoff-Gehäuse 9 ist vorzugsweise direkt auf der Kupferbodenplatte 2 befestigt und ist mit einer Hart- vergussmasse 7 aufgefüllt . Aus dem Kunststoffgehäuse 9 sind lediglich die Zufuhrleitungen mit Laststromkontakten 10 her- ausgeführt. Auch die LastStromkontakte 10 sind über Lötverbindungen 3 mit der Schaltung in dem Gehäuse 9 verbunden.
Bei einem derartigen Gehäuse nach dem Stand der Technik kommt es in der Regel an den Kanten, Spitzen und Strukturen von spannungsführenden Elementen, die einen kleinen Krümmungsradius aufweisen, zu hohen Feldstärken. Insbesondere am Substratrand 14, d.h. an der Metallisierungskante, aber auch be-
dingt einerseits durch die geometrische Anordnung und andererseits durch die Materialeigenschaften treten Feldstärken auf, welche die lokale Spannungsfestigkeit überschreiten können. Die Folge sind elektrische Überschläge, die einen loka- len Schaden und somit einen Isolationsverlust des Moduls verursachen können.
Der Verlauf der Äquipotenziallinien bei einem solchen Aufbau gemäß dem Stand der Technik ist in der Figur 2 in einem ver- größerten Ausschnitt aus der Darstellung in Figur 1 dargestellt. Auf der oberen und der unteren Oberfläche 11, 12 der AlN-Keramikschicht 1 befindet sich eine obere und eine untere Metallschicht 15, 16, so dass sich eine "Sandwich-Struktur" ergibt. Die untere Metallschicht 16 des in Figur 2 gezeigten Aufbaus kann über eine Lötverbindung mit der Cu-Bodenplatte 2 und damit mit einem Kühlkörper in thermischen Kontakt stehen.
Aus der Dichte der Äquipotenziallinien 13 in Figur 2 ist ersichtlich, dass an den Kanten 14 bei diesem Aufbau gemäss dem Stand der Technik eine hohe Feldstärke herrscht, so dass es bei Überschreiten einer materialabhängigen Durchbruchfeidstärke zu unkontrollierten Entladungen kommt, durch die empfindliche Bauelemente der Schaltung zerstört werden können.
In der WO 00/08686 wird ein Weg offenbart die Durchbruchspannung zu höheren Werten zu verschieben, indem die Feldstärke an den Kanten der Metallisierung 14 gesenkt wird. Dazu wird eine auf der Keramikschicht angeordnete dielektrische Schicht mit einer zweiten Dielektrizitätskonstante vorgesehen, die an die obere Metallisierung angrenzt. Dadurch kann die maximale Feldstärke an dem Übergang vom Substrat (Keramik und Metallisierung) zu seiner Umgebung gesenkt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochspannungsmodul der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass hohe Spitzenfeldstärken, die durch Kanten an
den Metallisierungen der Keramiksubstrate und anderen Teilen entstehen im wesentlichen verhindert werden.
Die Aufgabe wird mittels eines Hochspannungsmoduls gemäß An- spruch 1 oder 2 sowie einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 12 oder 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen aufgeführt .
Vorteil der Erfindung ist es, dass der Isolationsschutz für das Hochspannungsmodul mit vergleichsweise geringem Aufwand und damit kostengünstig realisierbar ist.
Das erfindungsgemäße Hochspannungsmodul weist ein Gehäuse auf, in welchem sich mindestens ein Bauelement befindet. Das bzw. die Bauelemente sind auf einem (Metall-Keramik-) Substrat befestigt. Das besagte (Metall-Keramik-) Substrat besteht aus
einer Keramikschicht mit einer ersten Hauptseite und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite, einer oberen Metallschicht auf der ersten Hauptseite und einer unteren Metallschicht auf der zweiten Haupt- seite auf .
Der gesamte Schaltungsaufbau ist in einem Weichverguss eingegossen. Dabei besteht der Weichverguss zumindest im Bereich der Außenkanten des (Metall-Keramik-) Substrats entweder
aus einer Mischung enthaltend ein Gel sowie schwach leitfähige Partikel, oder alternativ aus einer Mischung enthaltend ein Gel sowie Partikel mit hoher Dielektrizitätskonstante im Vergleich zum Gel.
Der Gesamt-Weichverguss kann demnach einerseits räumlich begrenzt, d.h. im Bereich der Außenkanten des (Metall-Keramik-) Substrats, neben dem Gel noch die schwach leitfähigen Partikel bzw. die elektrisch isolierenden Partikel aufweisen, wäh- rend außerhalb des Bereichs der Außenkanten reines Gel vorhanden sein kann. Alternativ kann aber auch der gesamte Weichverguss schwach leitfähige Partikel bzw. elektrisch isolierende Partikel enthalten.
Das Hochspannungsmodul wird demnach gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Höhe der Außenkanten des Substrats mit schwach leitfähigen Partikeln zunächst aufgefüllt, wobei beispielsweise mit einem Rüttelverfahren dafür gesorgt wird, dass sich die Partikel an den Randbereichen der Substrate op- timal verteilen. Anschließend wird das Modul mit einem geeigneten Gel, beispielsweise einem Silikon-Gel, insbesondere in einem Vakuumverfahren, vergossen. Dadurch wird erreicht, dass nach Aushärtung des Vergusses (Gel) eine schwache Leitfähigkeit im Verguss bestehen bleibt .
Die elektrische Leitfähigkeit der schwach leitfähigen Partikel wird dabei so gewählt, dass die Isolationswiderstände - den geltenden Normen entsprechend - eingehalten werden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die schwach leit- fähigen Partikel eine Mischung aus leitfähigen und nicht leitfähigem Material darstellen. Bevorzugte schwach leitfähige Partikel bestehen aus leitenden Kunststoffen, Harzen oder Elastomeren.
Alternativ zu den leitfähigen Partikeln werden elektrisch i- solierende Partikel mit, im Vergleich zum Gel sehr hohen Dielektrizitätskonstanten, eingesetzt. Unter hohen Dielektrizitätskonstanten werden dabei beispielsweise Werte von mehr als 2, insbesondere aber Werte von mehr als 6 wie etwa ein Wert von 8 angesehen. Die dadurch entstehende dielektrisch inhomogene Struktur hat die Eigenschaft, die Feldverteilung durch einen Quasi-Streueffekt zu verändern und die
Felder zu homogenisieren. Dadurch wird die gewünschte Feldreduktion an den Kanten der Metallteile auf der Keramik erzielt .
Bevorzugte elektrisch isolierende Partikel sind Glaskugeln oder Glasgranulate, oder nichtleitende Kunststoffe, Harze, Elastomere oder Oxid- und Nichtoxid-Keramiken. Glaskugeln bzw. Glasgranulate weisen eine Dielektrizitätskonstante von etwa 8 auf .
Die Partikelgröße der elektrisch isolierenden Partikel bzw. der schwach leitfähigen Partikel wird beispielsweise im Bereich von 50-300 μ gewählt. Dadurch wird insbesondere eine maximale Oberfläche der Partikel und damit Berührung zwischen den Partikeln sichergestellt, so dass das Gel beim Vergießen die Zwischenräume ausfüllen kann und letztendlich eine gute Elastizität der Mischung aus Partikeln und Verguss bestehen bleibt. Bevorzugt bestehen die Partikel im wesentlichen aber nicht aus einer einzigen Korngröße, sondern unterliegen einer Korngrößenverteilung, so dass die verschiedenen Korngrößen mehr Freiräume ermöglichen.
Durch die oben beschriebene Vergusslösung mittels elektrisch isolierenden Partikel bzw. der schwach leitfähigen Partikel werden hohe Spitzenfeldstärken, die durch Kanten an den Metallisierungen der Keramiksubstrate und anderen Teilen entstehen im wesentlichen verhindert. Dadurch ist die Realisierung eines Hochspannungsmoduls für eine Isolation von mindestens etwa 6 kVrms möglich. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere in der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit, insbesondere gegenüber der in WO 00/08686 vorgeschlagenen Lösung.
Eine Verbesserung der Feldverteilung durch RandbeSchichtungen dielektrischer Schichten zu erzielen, erfordert äußerst präzise Beschichtungsverfahren. Demgegenüber wird im vorliegenden Verfahren durch einfaches Einschütten von elektrisch iso-
lierenden Partikeln bzw. von schwach leitfähigen Partikeln in das Modul, Rütteln zur optimalen Verteilung der Partikel, sowie anschließendem Verguss mit einem geeigneten Gel eine wesentlich rationellere und damit kostengünstigere Lösung be- reitgestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt dabei einen typischen Aufbau eines vergossenen Schaltelements nach dem Stand der Technik.
Die Figur 2 zeigt den Feldverlauf bei einem Aufbau nach dem Stand der Technik.
Die Figuren 3a bis 3c zeigen jeweils einen Ausschnitt einer bevorzugten Anordnung des erfindungsgemäßen Hochspannungsmoduls für ein geeignetes Bauelement.
Die Figur 3a umfasst eine bevorzugte Ausführungsform, in welcher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit im wesentlichen gleicher Partikelgröße verwendet werden. Die Keramikschicht 1 ist über die untere Metallschicht 16 und die Lötverbindung 3 (zu den nicht dargestell- ten Laststromkonstrukten 10) mit der Bodenplatte 2 verbunden. Der Rand der oberen Metallschicht 15 weist zum Rand der Keramikschicht 1 einen größeren Abstand auf wie der Rand der unteren Metallschicht 16. Alternativ kann aber die obere Metallschicht 15 zum Rand der Keramikschicht 1 einen kürzeren oder gleich langen Abstand aufweisen wie der Rand der unteren
Metallschicht 16.
Auf der oberen und der unteren Oberfläche 11, 12 der AlN- Keramikschicht 1 befindet sich eine obere und eine untere Me- tallschicht 15, 16, so dass sich eine "Sandwich-Struktur" ergibt. Das Modul ist an den Außenkanten 14 beispielsweise mit einem Glasgranulat 17 von etwa 100-120 μm bis auf Höhe der
oberen Lötverbindung 3 aufgeschüttet und mit einem Silikon- Gel 8 vergossen.
Die Figur 3b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, in wel- eher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit unterschiedlicher Partikelgröße verwendet werden. Dadurch entsteht eine Gradientenmischung mit großen sowie kleinen Streuzentren. Die Keramikschicht 1 ist wiederum über die untere Metallschicht 16 und die Lötverbindung 3 mit der Bodenplatte 2 verbunden. Der Rand der oberen Metallschicht 15 weist zum Rand der Keramikschicht 1 einen größeren Abstand auf wie der Rand der unteren Metallschicht 16. Alternativ kann aber die obere Metallschicht 15 zum Rand der Keramikschicht 1 einen kürzeren oder gleich langen Abstand auf- weisen wie der Rand der unteren Metallschicht 16.
Auf der oberen und der unteren Oberfläche 11, 12 der A1N- Keramikschicht 1 befindet sich eine obere und eine untere Metallschicht 15, 16, so dass sich eine "Sandwich-Struktur" er- gibt. Das Modul ist an den Aussenkanten 14 beispielsweise mit einem Gemisch aus schwach leitfähigen Kunststoffgranulat 17 unterschiedlicher Partikelgröße, beispielsweise von 80-90 μm und 250-300 μm, bis auf Höhe der oberen Lötverbindung 3 aufgeschüttet und mit einem Silikon-Gel 8 vergossen.
Die Figur 3c zeigt eine der Figur 3b entsprechende besonders bevorzugte Ausführungsform, in welcher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit unterschiedlicher Partikelgröße über die obere Lötverbindung 3 hinaus auf- geschüttet und mit einem Silikon-Gel 8 vergossen sind.
Durch den erfindungsgemäßen Verguss aus Gel sowie den schwach leitfähigen Partikel bzw. die elektrisch isolierenden Partikel wird eine dielektrisch inhomogene Struktur erzeugt, wel- ehe die Eigenschaft aufweist, die Feldverteilung durch einen Quasi-Streueffekt zu verändern und die Felder zu homogenisie-
ren. Dadurch wird die gewünschte Feldreduktion an den Kanten der Metallteile auf der Keramik erzielt.
Die Keramikschicht 1 besteht - wie bereits erwähnt - typi- scherweise aus AlN. Die Dicke der Keramikschicht 1 beträgt beispielsweise zwischen 0,25-4 mm (typisch 1 mm) . Die Dielektrizitätskonstante der Keramikschicht 1 ist etwa 8,9. Die Dicke der oberen und der unteren Metallschicht 15, 16 wird jeweils bei etwa 300 μm eingestellt. Die Dielektrizitätskons- tante des Silikon-Gels 8 beträgt etwa 3.