WO2005101503A2 - Vorrichtung, insbesondere intelligentes leistungsmodul, mit planarer verbindungstechnik - Google Patents

Vorrichtung, insbesondere intelligentes leistungsmodul, mit planarer verbindungstechnik Download PDF

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Definitions

  • Device in particular intelligent power module, with planar connection technology
  • So converters are applied in conventional technology with a power semiconductor module, capacitors and components for electrical isolation for control and signal detection on a circuit board, in particular a printed circuit board (PCB), which is then coated with an insulating varnish to achieve compactness.
  • PCB printed circuit board
  • IPM intelligent power module
  • the individual components are arranged on a so-called leadframe, then the electrical connections are bonded and then everything is overmolded with a molding compound.
  • the limits of this technology lie in the current to be realized and the voltage to be achieved for the insulation.
  • the power semiconductor conductors are built in a module and the control circuit, which is based on FR4 or ceramic, is then also installed in this module.
  • the contact is normally made by means of bonding.
  • everything is then cast with a silicone gel.
  • a planar connection technology is known from WO 03/030247 A2.
  • the invention is based on the object of realizing intelligent power modules which can be produced more economically and more compactly.
  • a device in particular an intelligent power module, has a substrate on which a power component and a control position for controlling this power component are arranged. Furthermore, the device has a connection between the power component and the control circuit, which contains a layer of electrically insulating material, which is arranged on the power component and the substrate, and a layer of electrically conductive material, which is on the layer of electrically insulating material is arranged.
  • planar connection technology therefore has the advantage that the power component-fc and its control circuit can be arranged on the same substrate, as a result of which a power module that is easy to cool, compact and inexpensive to produce can be obtained.
  • the substrate which is a ceramic structured with copper surfaces, very high currents and voltages with the associated power losses can be switched with the power module.
  • the layer of electrically insulating material is advantageously a film, in particular a laminated film.
  • the power component On its side facing away from the sutostrate, the power component can have a contact surface on which the layer of electrically insulating material has a window and the layer of electrically conductive material is arranged.
  • the layer of electrically insulating material advantageously lies on the power component, in particular on its sides not arranged on the substrate, and on the substrate. This makes the device particularly stable.
  • the layer of electrically insulating material serves as a carrier layer for the layer of electrically conductive material.
  • the control circuit preferably has a microprocessor, for example in the form of a microcontroller and / or logic chips.
  • control circuit advantageously has means for current measurement.
  • control circuit has a transformer coupling for coupling in a control signal for the power component.
  • the «transformato- Rical coupling can be realized, in particular without a core, with two parallel conductors separated from one another by an insulator.
  • This can e.g. can be realized within a (silicon) component by means of a (silicon) oxide layer.
  • the insulator is designed in the form of an insulation layer.
  • This insulation layer can be provided, for example, by a film, in particular laminated on, which is arranged between two electrically conductive layers for transformer transmission, which are produced, for example, by electroplating.
  • the transformer coupling can thus be produced in the same way as the connection of the component, as a result of which its production can be integrated excellently into the production process of the power module.
  • the control circuit preferably has a short-circuit protection, an overtemperature protection and / or an overvoltage protection.
  • the device can also have a switched-mode power supply in order to generate DC voltage, which is converted into AC voltage with the aid of the power component.
  • a transistor of this switching power supply can also be arranged on the substrate, as a result of which it can be cooled and connected in the same way as the power component.
  • FIG shows a power component with planar connection technology.
  • FIG. 1 shows a device 1, in particular an intelligent power module 1, which is constructed without a bonding process and silicone potting.
  • Power components 3, for example IGBTs, and power components 4, for example diodes, are arranged on a substrate 2.
  • control circuit for the power components which contains electronics 5, for example a microprocessor, and means 6 for current detection, for example a shunt with driver including potential separation.
  • the substrate 2 is a copper-structured ceramic.
  • the potential separation for signal transmission is preferably carried out by components in which the potential separation is realized by oxide layers. This has the advantage of being able to work permanently even at high temperatures, which is an essential requirement due to the compactness.
  • the isolation and connection of the individual components is carried out by applying several electrically insulating and electrically conductive layers in the form of special foil and sputtering copper, without external current and / or galvanically deposited. With regard to the production and properties of these layers, reference is made in full to WO 03/030247 A2.
  • the structure of the structure is comparable to that of a multilayer printed circuit board which connects the individual potentials to one another.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1), insbesondere ein intelligentes Leis­tungsmodul, weist auf einem Substrat (2) ein Leistungsbauele­ment (3,4) und eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leis­tungsbauelements (3) auf. Eine Verbindung des Leistungsbau­elements (3) mit der Steuerschaltung enthält eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, die an dem Leistungsbauele­ment und dem Substrat (2) angeordnet ist, und eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, die an der Schicht aus e­lektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Somit erhält man ein intelligentes Leistungsmodul (1), das sich kosten­günstiger und kompakter herstellen lässt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung, insbesondere intelligentes Leistungsmodul, mit planarer Verbindungstechnik
Bei neuen ümrichtergenerationen wird eine immer 'kompaktere Bauform bei höheren Umgebungstemperaturen gefordert. Um eine kompakte Bauform zu erreichen, ist es nötig, die einzelnen Bauteile, die man benötigt, immer dichter zusammenzupacken. Dies führt jedoch dazu, dass man die hohen Potentiale gegeneinander isolieren muss, um ausreichend Luft und Kriechstrecken zu erreichen. Der beste Weg, dies zu erreichen, scheint der Kompaktaufbau eines intelligenten Leistungsmoduls .
Derzeit gibt es dazu mehrere Lösungen, welche jedoch immer in der einen oder anderen Richtung mit Einschränkungen behaftet sind.
So werden Umrichter in herkömml cher Technologie mit einem Leistungshalbleitermodul, Kondensatoren und Bauteilen zur elektrischen Trennung für Ansteuerung und Signalerfassung auf einer Leiterplatte, insbesondere einem Printed Circuit Board (PCB) aufgebracht, die zur Erlangung der Kompaktheit dann mit einem Isolierlack lackiert wird. Mit dieser Lösung wird man jedoch nur bedingt kompakt und es bestehen höchste Anforderungen an den Isolierlack und die Verarbeitung.
Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz eines sogenannten intelligenten Leistungsmoduls, auch als Intelligent Power Modul (IPM) bekannt. In diesem hat der Modulhersteller die wesentlichen Funktionen schon verpackt. Heutige intelligente Leistungsmodule haben jedoch oft Einschränkungen in der Stromerfassung und in dem Potential der sicheren elektrischen Trennung. Es gibt im wesentlichen zwei Lösungsansätze, solche Mo- dule aufzubauen.
Bei dem Ersten werden die einzelnen Komponenten auf einem sogenannten Leadframe angeordnet, dann die elektrischen Verbindungen gebondet und danach wird alles mit einear Moldmasse umspritzt. Die Grenzen dieser Technologie liegen im zu reali- sierendem Strom und in der zu erreichenden Spannung für die Isolation.
Bei dem zweiten Ansatz werden die Leistungshal-toleiter in einem Modul aufgebaut und in dieses wird dann zusätzlich die Ansteuerschaltung montiert, die auf FR4 oder Keramik aufgebaut ist. Die Kontaktierung erfolgt normalerweise mittels Bonden. Um die Isolationsanforderungen zu erfüllen, wird dann alles mit einem Silikongel vergossen.
Aus WO 03/030247 A2 ist eine planare Verbindung-stechnik bekannt .
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, intelligente Leistungsmodule zu realisieren, die sich kosten- günstiger und kompakter herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Avisgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dementsprechend weist eine Vorrichtung, insbesondere ein intelligentes Leistungsmodul, ein Substrat auf, auf dem ein Leistungsbauelement und eine Steuersσhaltung zur Steuerung dieses Leistungsbauelement angeordnet sind. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Verbindung zwischen dem Leistungsbauelement und der Steuerschaltung auf, wobei diese eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material enthält, iie an dem Leistungsbauelement und dem Substrat angeordnet ist, und eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, die an der Schicht aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
Durch den Einsatz der planaren Verbindungsteclnnik ergibt sich also der Vorteil, dass das Leistungsbauelemen-fc und seine Steuerschaltung auf demselben Substrat angeordnet werden können, wodurch man ein gut kühlbares, kompaktes und kostengüns- tig herzustellendes Leistungsmodul erhält .
Durch das Substrat, das eine mit Kupferflächen strukturierte Keramik ist, lassen sich mit dem Leistungsmodααl sehr hohe Ströme und Spannungen mit den damit verbundenen Verlustleis- tungen schalten.
Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist vorteilhafter Weise eine Folie, insbesondere eine au-flaminierte Folie.
Das Leistungsbauelement kann an seiner dem Sutostrat abgewandten Seite eine Kontaktfläche aufweisen, an der die Schicht aus elektrisch isolierendem Material ein Fenster aufweist und die Schicht aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist.
Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material liegt vorteilhaft am Leistungsbauelement, also insbesondere seinen nicht am Substrat angeordneten Seiten, und dem Substrat an. Dadurch wird die Vorrichtung besonders stabil . Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material dient datoei als Trägerschicht für die Schicht aus elektrisch leitendem Material.
Die Steuerschaltung weist vorzugsweise einen Mikroprozessor auf, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers und/oder Logikchips .
Darüber hinaus verfügt die Steuerschaltung vorteilhaft über Mittel zur Strommessung.
Weiterhin ist es vom Vorteil, wenn die Steuerschaltung eine transformatorische Kopplung zum Einkoppeln eines Steuersignals für das Leistungsbauelement aufweist . Di« transformato- rische Kopplung lässt sich, insbesondere kernlos, mit zwei durch einen Isolator voneinander getrennten, parallel verlaufenden Leitern realisieren.
Dies kann z.B. innerhalb eines (Silizium-) Bauelement mittels einer (Silizium-) Oxidschicht realisiert werden.
Alternativ oder ergänzend ist der Isolator in Form einer Isolationsschicht ausgeführt. Diese Isolationsschicht kann bei— spielsweise durch eine, insbesondere auflaminierte, Folie gegeben sein, die zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten für die transformatorische Übertragung angeordnet ist, die beispielsweise durch Galvanik erzeugt sind. So lässt sich die transformatorische Kopplung in der gleichen Art und Weise herstellen wie die Verbindung des Bauelements, wodurch sich ihre Herstellung hervorragend in den Herstellungsprozess des Leistungsmoduls integrieren lässt.
Vorzugsweise weist die Steuerschaltung einen Kurzschluss- schütz, einen Übertemperaturschutz und/oder einen Überspannungsschutz auf.
Die Vorrichtung kann insbesondere noch ein Schaltnetzteil aufweisen, um Gleichspannung zu erzeugen, die mit Hilfe des Leistungsbauelements in WechselSpannung umgewandelt wird.
Insbesondere kann auch ein Transistor dieses Schaltnetzteil auf dem Substrat angeordnet werden, wodurch dieser in gleicher Weise wie das Leistungsbauelement gekühlt und verbunden werden kann.
Verfahren zum Herstellen oder Betreiben einer Vorrichtung der zuvor genannten Art ergeben sich analog zur Vorrichtung und/oder aus der folgenden Beschreibung eines Aus ührungsbei- spiels .
Weitere Vorteile und Merkmale folgen aus der Beschreibung der Zeichnung. Dabei zeigt die FIG ein Leistungsbauelement mit planarer Verbindungstechnik.
In der FIG erkennt man eine Vorrichtung 1, insbesondere ein intelligentes Leistungsmodul 1, die ohne Bondprozess und Si- likonverguss aufgebaut ist. Auf einem Substrat 2 sind Leistungsbauelemente 3, beispielsweise IGBTs, und Leistungsbauelemente 4, beispielsweise Dioden, angeordnet.
Ebenfalls auf dem Substrat 2 ist eine Steuerschaltung für die Leistungsbauelemente angeordnet, die eine Elektronik 5, beispielsweise einem Mikroprozessor, und Mittel 6 zur Stromerfassung, beispielsweise einen Shunt mit Treiber inklusive Po- tentialtrennung, enthält.
Das Substrat 2 ist eine kupferflächenstrukturierte Keramik.
Die Potentialtrennung zur Signalübertragung erfolgt in bevor- zugter Weise durch Bauteile, bei denen die Potentialtrennung durch Oxidschichten realisiert ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, auch bei hohen Temperaturen dauerhaft arbeiten zu können, was eine wesentliche Anforderung durch die Kompaktheit ist.
Die Isolation und Verbindung der einzelnen Komponenten erfolgt durch Aufbringen mehrerer elektrisch isolierende und elektrisch leitende Schichten in Form von Spezialfolie und gesputternden, außenstromlos und/oder galvanisch abgeschiede- nem Kupfer. Bezüglich der Herstellung und der Eigenschaften dieser Schichten wird vollinhaltlich auf WO 03/030247 A2 verwiesen. Es ergibt sich ein Aufbau der Struktur, der mit einer mehrlagigen Leiterplatte vergleichbar ist, welche die einzelnen Potentiale miteinander verbindet.
Das Zusammenbringen der optimalen Isolationstechnologie, die auch bei hohen Temperaturen einwandfrei arbeitet, und das di- rekte Verbinden der einzelnen Komponenten auf der Keramik durch die planare Verbindungstechnik führt zu einer äußerst kompakten Bauweise für das integrierte Leistungsmodul 1. Es werden gleiche Eigenschaften wie beim Aufbau eines Umrichters mit Leistungshalbleiter und FR4-Baugruppe mit den Komponenten zur sicheren elektrischen Trennung erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1), insbesondere intelligentes Leistungsmodul (1), mit - einem auf einem Substrat (2) angeordneten Leistungsbauelement (3, 4) ,
- einer auf dem Substrat (2) angeordneten Steuerschaltung zur Steuerung des Leistungsbauelements,
- einer Verbindung des Leistungsbauelements (3, 4) mit der Steuerschaltung aufweisend - eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, die an dem Leistungsbauelement (3, 4) und dem Substrat angeordnet ist, - eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, die an der Schicht aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist .
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine mit Kupferflächen strukturierte Keramik ist.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus elektrisch isolierendem Material eine Folie ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsbauelement (3, 4) an seiner dem Substrat abgewandten Seite eine Kontaktfläche aufweist, an der die Schicht aus elektrisch isolierendem Material ein Fenster aufweist und die Schicht aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus elektrisch isolierendem Material eng am Leistungsbauelement (3, 4) und am Substrat (2) anliegt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung eine Elektronik (5) aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung Mittel (6) zur Strommessung aufweist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung eine transformatorische Kopplung zum Einkoppeln eines Steuersignals für das Leistungsbauelement (3) aufweist.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die trans ormatorische Kopplung, insbesondere kernlos, mit zwei durch einen Isolator voneinander getrennten Leitern realisiert ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator durch eine Oxidschicht realisiert ist.
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator durch eine Isolationsschicht realisiert ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung einen Kurzschlussschutz, Übertemperaturschütz und/oder Überspannungsschutz aufweist.
13. Vorrichtung nach (1) einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Schaltnetzteil aufweist.
14. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) ein Transistor eines Schaltnetzteils angeordnet ist.
15. Verfahren zum Herstellen oder Betreiben einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2005/051645 2004-04-19 2005-04-14 Vorrichtung, insbesondere intelligentes leistungsmodul, mit planarer verbindungstechnik WO2005101503A2 (de)

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