DE10102621A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird eine einfache und kostengünstige Anordnung des Leistungsmoduls, die einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet. DOLLAR A Hierzu ist auf einem Trägerkörper eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischen Bauteil angeordnet. Auf der Oberseite des Trägerkörpers ist eine Leitbahnstruktur gebildet, auf der Unterseite des Trägerkörpers ist ein aus dem Material des Trägerkörpers bestehendes strukturiertes Kühlelement vorgesehen. DOLLAR A Leistungsmodul als Leistungsumrichter für Elektromotoren.

Description

In vielen Bereichen werden elektronische Baugruppen für unterschiedliche Aufgaben und Anwendungen eingesetzt; insbesondere sind als Leistungsmodule ausgebildete elektronische Baugruppen zu Ansteuerzwecken gebräuchlich, beispielsweise zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Elektromotoren.

Bestandteil derartiger Leistungsmodule sind elektronische Bauteile zum Bereitstellen der benötigten Leistung (bsp. bei Elektromotoren typischerweise im kW-Bereich) und zum Bereitstellen von Steuersignalen und/oder zur Auswertung von Meßsigna­ len. Insbesondere ist für die in der Regel sowohl aktive Bauteile wie im Schaltbetrieb mit hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten arbeitende Leistungsbauteile (insbe­ sondere integrierte Schaltkreise als Leistungsschalter) als auch passive Bauteile wie Widerstände (bsp. Shunts zur Strommessung) und Kondensatoren aufweisende Schaltungsanordnung des Leistungsmoduls zur Vermeidung von Überspannungen ein induktionsarmer Aufbau erforderlich. Demzufolge wird die Schaltungsanordnung des Leistungsmoduls üblicherweise auf einen isolierenden Trägerkörper (ein isolie­ rendes Substrat) aufgebracht, der in der Regel aus einem keramischen Material be­ steht. Zur mechanischen Stabilisierung und zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Bauteile der Schaltungsanordnung (insbesondere der Leistungsbauteile) wird der Trägerkörper auf einen bsp. an ein Kühlsystem angeschlossenen massiven metalli­ schen Kühlkörper (bsp. eine Kupferplatte oder Aluminiumplatte) aufgebracht und an diesen über eine Verbindungsschicht, bsp. mittels Lot oder Wärmeleitpaste, ther­ misch angebunden; die Isolation (Potentialtrennung) zwischen den elektronischen Bauteilen der Schaltungsanordnung und dem Kühlkörper wird über den isolierenden Trägerkörper realisiert.

Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Substrat und Kühl­ körper (bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Trägerkörpers und des Metalls des Kühlkörpers) ist zum einen (insbesondere bei einem großflächigen Trägerkörper) zum Spannungs­ ausgleich eine relativ dicke Verbindungsschicht zwischen Trägerkörper und Kühlkör­ per erforderlich (hierdurch ergibt sich ein hoher Wärmewiderstand, insbesondere auch durch das Wärmeleitvermögen negativ beeinflussende Einschlüsse in der Ver­ bindungsschicht, bsp. Lunker in einer Lötschicht), so daß zwischen den elektroni­ schen Bauteilen der Schaltungsanordnung und dem Kühlkörper aufgrund der hier­ durch gebildeten Wärmewiderstände ein schlechter Wärmeübergang gegeben ist und sich die Abfuhr der Verlustleistung (Wärmeabfuhr) der elektronischen Bauteilen demzufolge schwierig gestaltet, zum andern (insbesondere bei einem großen Tem­ peraturbereich für den Einsatz des Leistungsmoduls und den hierdurch bedingten Temperaturwechseln) die Verbindung zwischen dem Trägerkörper und dem Kühlkör­ per oftmals beeinträchtigt, so daß die Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls signifikant verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul mit einem einfachen Aufbau, einer einfachen Fertigung, geringen Kosten, einer hohen Zuverlässigkeit und vorteilhaften thermischen Eigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der übrigen Patentan­ sprüche.

Als Bestandteil des Leistungsmoduls sind insbesondere folgende Komponenten vor­ gesehen:

• - Ein aus einem isolierendem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehender (dicker) Trägerkörper, der bsp. als Keramikträger aus einem keramischen Mate­ rial, bsp. aus Aluminiumoxid Al₂O₂ oder Aluminiumnitrid AIN, besteht; der Träger­ körper kann in formfallenden Werkzeugen hergestellt werden, bsp. mittels Troc­ kenpressen oder mittels Spritzguß mit anschließendem Sintern. Die Dicke des Trägerkörpers wird nach Maßgabe seiner Größe (Fläche) und der durch den (bsp. durch Verschraubung erfolgenden) Einbau des Leistungsmoduls an seinem Einsatzort sowie die Kühlung (bsp. durch den Druck des Kühlmittels in einem an das Leistungsmodul angeschlossenen Kühlkreislauf) bedingten mechanischen Belastung ausgewählt. Gleichzeitig fungiert ein strukturierter Teilbereich des ke­ ramischen Trägerkörpers als Kühlelement, indem an seiner Unterseite aus dem Material des Trägerkörpers gefertigte Geometrieelemente als Array in einer be­ stimmten Anordnung und mit einer bestimmten geometrischen Form (bsp. zap­ fenförmig oder rautenförmig) vorgesehen sind
• - Auf die Oberseite des Trägerkörpers wird eine (metallische) Leitbahnstruktur mit Leiterbahnen, Aufnahmestellen, Kontaktstellen und Anschlußstellen direkt auf­ gebracht (d. h. ohne Zwischenschichten auf die Oberfläche des keramischen Trägerkörpers), bsp. durch Aktivlötung ("Active Metal Bonding"), indem die Leit­ bahnstruktur chemisch über eine Oxidbindung direkt auf die Oberfläche des Trä­ gerkörpers gelötet wird, oder durch das DCB-Verfahren, indem die Leitbahn­ struktur mechanisch über das aufgeschmolzene Metall der Leitbahnstruktur im Trägerkörper (insbesondere in den Poren eines keramischen Trägerkörpers) ver­ ankert wird. Über die Leitbahnstruktur können die elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung untereinander und/oder mit Anschlußkontakten elek­ trisch leitend verbunden werden.
• - Auf die Aufnahmestellen der Leitbahnstruktur werden die elektronischen Bau­ teile der Schaltungsanordnung, insbesondere die Leistungsbauteile, bsp. in Form von Silizium-Chips, aufgebracht (bsp. mittels Weichlot oder durch Aufpressen), die miteinander und/oder mit der Leitbahnstruktur kontaktiert werden (bsp. entweder mittels Drahtbonden durch Kontaktierung der Anschlüsse der elektro­ nischen Bauteile über Bonddrähte mit bestimmten Kontaktstellen der Leitbahn­ struktur oder mit Anschlüssen weiterer Bauteile oder mittels eines Niedertempe­ ratur-Sinterverfahrens durch direktes Aufbringen und Versintern der Anschlüsse der elektronischen Bauteile). Weiterhin werden an die Anschlußstellen der Leit­ bahnstruktur Anschlußkontakte angebracht, die zur (externen) Verbindung des Leistungsmoduls mit weiteren Baugruppen oder Bauteilen dienen.
• - Über das auf der Unterseite des Trägerkörpers ausgebildete strukturierte Kühlelement erfolgt die Wärmeabfuhr der Schaltungsanordnung (der Verlustleistung der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung) vom Trägerkörper her. Die Umrandung des als Array mit einer Vielzahl von (gleichartig) strukturierten Geometrieelementen ausgebildeten Kühlelements ist an die Form des Träger­ körpers angepaßt; die Größe (Fläche) des Arrays richtet sich nach der abzufüh­ renden Verlustleistung, d. h. die erforderliche Kühlfunktion muß durch die Geo­ metrieelemente des Arrays gewährleistet werden. Jeweils eine bestimmte Anzahl von Geometrieelementen ist äquidistant zur Bildung einer Reihe hintereinander beabstandet angeordnet, während jeweils zwei benachbarte Reihen Geome­ trieelemente gegeneinander versetzt werden (vorzugsweise so, daß die Geome­ trieelemente einer Reihe in der durch den Abstand der Geometrieelemente defi­ nierten Lücke der benachbarten Reihe positioniert sind). Die Form, Anzahl und Anordnung der Geometrieelemente, insbesondere die Anordnung der Geome­ trieelemente zueinander und die Anordnung der Geometrieelemente im Array, wird an den jeweiligen Anwendungszweck des Leistungsmoduls und an die er­ forderliche Kühlleistung angepaßt. Die Geometrieelemente sind bsp. als Rauten, Pyramidenstümpfe, Zapfen oder Linse ausgebildet und weisen bsp. eine leicht abgeschrägte Seitenfläche auf. Das Kühlelement wird im gleichen Herstellungs­ schritt und im gleichen Werkzeug wie der Trägerkörper hergestellt, bsp. in formfallenden Werkzeugen, bsp. mittels Trockenpressen oder mittels Spritzguß mit anschließendem Sintern; d. h. die aus dem gleichen Material wie der Träger­ körper bestehenden Geometrieelemente werden zusammen mit diesem aus ei­ ner eine entsprechende Form aufweisenden Vorlage ausgeformt. Das Kühlele­ ment bzw. das Array der Geometrieelemente ist insbesondere in einen Kühl­ kreislauf integriert, bsp. wird das Array vom Kühlmittel des Kühlkreislaufs (bsp. Wasser oder Luft) durchströmt; durch die Geometrieelemente des Arrays werden Strömungskanäle für das Kühlmittel des Kühlkreislaufs vorgegeben, indem das Kühlmittel zwischen den Geometrieelementen (zwischen den verschiedenen Reihen der Geometrieelemente) durchströmt. Durch die Vorgabe der Anordnung und der Struktur (Form) des Arrays und damit der Geometrieelemente kann der Wärmeübergang vom Trägerkörper via Kühlelement auf das Kühlmittel eingestellt werden.

Das Leistungsmodul vereinigt mehrere Vorteile in sich:
Der Trägerkörper dient sowohl zur Wärmeabfuhr als auch als Schaltungsträger (Sub­ strat) für die elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung sowie zur Abdich­ tung bei einer direkten Anordnung des Leistungsmoduls in einem Kühlkreislauf und damit der Integration des Arrays der Geometrieelemente im Kühlkreislauf; durch die unmittelbare Anbindung der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung auf dem Trägerkörper und der direkten Anbindung des Kühlelements an den Trägerkör­ per ohne Zwischenschichten (daher geringer thermischer Widerstand) können ther­ mische Probleme vermieden werden, so daß eine hohe Zuverlässigkeit und Lebens­ dauer des Leistungsmoduls gegeben ist.

Durch die vorgebbare Struktur des Kühlelements ist eine ausreichende Wärmeab­ fuhr der elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung gewährleistet, insbeson­ dere eine variabel wählbare Wärmeabfuhr durch entsprechende Ausgestaltung des Kühlelements und damit der Geometrieelemente, so daß insbesondere bei einer Integration des Kühlelements in den Kühlkreislauf eines Kühlsystems die Durchfluß­ geschwindigkeit des Kühlmittels und der Druckverlust im Kühlkreislauf an die Anfor­ derungen angepaßt werden kann.

Der Herstellungsaufwand ist gering, da eine einfache Herstellung des Kühlelements möglich ist (insbesondere zusammen mit dem Trägerkörper in einem Herstellungs­ schritt mit dem gleichen Werkzeug) und Fertigungsprobleme vermieden werden können, so daß auch geringe Fertigungskosten anfallen, insbesondere auch durch den Einsatz einfacher und kostengünstiger Materialien.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Fig. 1 bis 3) soll das Leistungsmodul an­ hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der Oberseite des Leistungsmoduls,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Leistungsmoduls,

Fig. 3 eine Ansicht der Unterseite des Leistungsmoduls.

Das Leistungsmodul 1 wird bsp. als Leistungsumrichter für flüssigkeitsgekühlte Elek­ tromotoren im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt (Leistung bsp. 10 kW); aufgrund der entstehenden hohen Verlustleistung wird der Leistungsumrichter 1 direkt am Elek­ tromotor an die Flüssigkeitskühlung angekoppelt, d. h. in den mit dem Kühlmittel Wasser betriebenen Kühlkreislauf des Elektromotors integriert.

Der Leistungsumrichter 1 besteht aus folgenden Komponenten:

• 1. Einem bsp. als Keramiksubstrat (Keramikträger) ausgebildeten, bsp. aus AIN bestehenden Trägerkörper 2 als Schaltungsträger mit den Abmessungen von bsp. 90 mm × 57 mm × 3 mm, der direkt in den Kühlkreislauf integriert ist und damit auch die Abdichtung des Kühlkreislaufs gegenüber den weiteren Kompo­ nenten des Leistungsumrichters 1 übernimmt.
  • - Auf die Oberseite 14 des Trägerkörpers 2 ist eine bsp. aus Kupfer bestehende Leitbahnstruktur 7 (Dicke bsp. 0.3 mm) mit Leiterbahnen 8, Aufnahmestellen 13, Kontaktstellen 9 und Anschlußstellen 11 aufgebracht, bsp. mittels eines di­ rekten (aktiven) Lötprozesses auf den Trägerkörper 2 chemisch aufgelötet. An den Kontaktstellen 9 werden die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsan­ ordnung 6 kontaktiert, d. h. mit der Leitbahnstruktur 7 elektrisch leitend verbun­ den; an den Anschlußstellen 11 werden Anschlußkontakte 12 angebracht, bsp. mittels des Lots 20 angelötet.
  • - Auf dem Trägerkörper 2 ist eine elektronische Bauteile 5 aufweisende Schal­ tungsanordnung 6 angeordnet, die insbesondere Leistungsbauteile zur Realisie­ rung der Umrichterfunktion und der sich hieraus ergebenden Ansteuerung des Elektromotors aufweist. Die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 werden als Silizium-Chips an den Aufnahmestellen 13 auf die Leitbahnstruktur 7 aufgebracht (bsp. mittels eines Weichlötprozesses aufgelötet) und bsp. über Bondverbindungen 10 mit den Kontaktstellen 9 der Leiterbahnen 8 der Leit­ bahnstruktur 7 verbunden und/oder mit anderen elektronischen Bauteilen 5.
  • - Die Verlustleistung der elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 (insbesondere der Leistungsbauteile) wird über den Trägerkörper 2 und das Kühlelement 3 in den mit dem Kühlmittel Wasser durchströmten Kühlkreislauf abgeführt. Hierzu ist auf der Unterseite 15 des Trägerkörpers 2 das zusammen mit dem Trägerkörper 2 in einem formfallenden Werkzeug durch Pressen herge­ stellte, bsp. aus AlN bestehende, Kühlelement 3 angeordnet. Das Kühlelement 3 ist in einer bestimmten Weise zur Ausbildung eines Arrays 21 von Geometriee­ lementen 4 strukturiert, wobei die Geometrieelemente 4 des Kühlelements 3 bsp. eine rautenähnliche Form aufweisen, deren Seitenflächen leicht abge­ schrägt sind. Zur Bildung von Strömungskanälen 18 für das Kühlmittel sind die Geometrieelemente 4 des Kühlelements 3 in einer bestimmten Anzahl in einer Reihe 17 äquidistant beabstandet hintereinander und in verschiedenen benach­ barten Reihen 17 versetzt zueinander angeordnet; insbesondere sind zwei be­ nachbarte Reihen 17 jeweils so versetzt zueinander angeordnet, daß die Geome­ trieelemente 4 einer Reihe 17 in die durch den Abstand der Geometrieelemente 4 definierten Lücke zwischen den Geometrieelementen 4 der benachbarten Rei­ he 17 positioniert sind. Bsp. sind in einer Reihe 17 auf einer Länge von bsp. 80 mm 12 Geometrieelemente 4 hintereinander angeordnet und auf einer Breite von bsp. 40 mm 6 verschiedene Reihen 17 mit Geometrieelementen 4 versetzt zueinander angeordnet. Die Geometrieelemente 4 des Kühlelements 3 mit einer Höhe von bsp. 6 mm ragen in den Kühlkreislauf des Elektromotors hinein und werden vom Kühlmittel Wasser durchflossen, wobei nach Maßgabe der durch die Anordnung der Geometrieelemente 4 gebildeten Strömungskanäle 18 eine be­ stimme Durchflußrichtung und eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers vorgegeben wird.

Claims (5)

1. Leistungsmodul (1) mit
einem Trägerkörper (2) zur Aufnahme einer Schaltungsanordnung (6) mit minde­ stens einem elektronischen Bauteil (5),
einer auf der Oberseite (4) des Trägerkörpers (2) gebildeten Leitbahnstruktur (7),
und einem auf der Unterseite (15) des Trägerkörpers (2) gebildeten, aus dem Material des Trägerkörpers (2) bestehenden strukturierten Kühlelement (3).

2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (3) aus einem Array (21) mit einer Vielzahl von eine vorgegebene Anordnung aufweisenden Geometrieelementen (4) gebildet ist.

3. Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geo­ metrieelemente (4) in mehreren Reihen (17) versetzt zueinander angeordnet sind, und daß mehrere Geometrieelemente (4) in einer Reihe (17) äquidistant beabstandet zueinander angeordnet sind.

4. Leistungsmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geo­ metrieelemente (4) annähernd rautenförmig ausgebildet sind.

5. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Oberseite (14) des Trägerkörper (2) angeordnete Leitbahnstruktur (7) Leiterbahnen (8), Aufnahmestellen (13) zur Aufnahme der elektronischen Bau­ teile (5) der Schaltungsanordnung (6), Kontaktstellen (9) zur Kontaktierung der elektronischen Bauteile (5) der Schaltungsanordnung (6) und Anschlußstellen (11) zur Anbindung von Anschlußkontakten (12) aufweist.