DE10130517C2 - Hochspannungsmodul und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsmodul mit einem Ge­ häuse zur Aufnahme mindestens eines Bauelements, das auf ei­ nem 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 Weichverguss eingegossen ist, sowie ein Verfahren zur Her­ stellung 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 mon­ tiert und beispielsweise mit Vergussmasse ausgefüllt. Die Umhüllung von Bau­ elementen mit Vergussmasse im Allgemeinen ist aus der EP 0 308 676 A2 bekannt.

Dabei treten insbesondere an den seitlichen Rändern der obe­ ren Metallschicht auf Grund der zwischen den Kontaktflächen anliegenden hohen Spannungen sehr hohe elektrische Feldstär­ ken 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.

Fig. 1 zeigt einen typischen Aufbau eines vergossenen Schal­ tungselements nach dem Stand der Technik (WO 00/08686). Das in der Fig. 1 gezeigte AlN-Substrat, auf dem die Schaltung aufgebaut ist, ist mit 1 bezeichnet. Das Substrat ist ein Isolator hoher Gü­ te, im allgemeinen eine Keramikplatte, die eine Dielektrizi­ tätskonstante von etwa 10 aufweist.

Der Isolator 1 ist beispielsweise auf einer Kupferbodenplatte 2 (oder AlSiC-Bodenplatte) befestigt, die sowohl zur mechani­ schen Stabilisierung der Schaltung als auch zur thermischen Verbindung der Schaltung nach außen dient. Die Kupferboden­ platte 2 haltert damit einerseits die Bauelemente der Schal­ tung und sorgt andererseits dafür, dass Wärme von den Bauele­ menten zu einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Kühlkörper abgeleitet wird. Dabei ist das AlN-Substrat über Lötverbin­ dungen 3 mit der Kupferbodenplatte 2 verbunden.

Die elektronische Schaltung umfasst in der dargestellten Form einen IGBT 4 und eine Diode 5, die beispielsweise für Span­ nungen 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 Al-Drähte haben bei dem Dickdrahtbonding vor­ zugsweise 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 Lötver­ bindungen 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 Krümmungsra­ dius aufweisen, zu hohen Feldstärken. Insbesondere am Sub­ stratrand 14, d. h. an der Metallisierungskante, aber auch be­ dingt einerseits durch die geometrische Anordnung und ande­ rerseits durch die Materialeigenschaften treten Feldstärken auf, welche die lokale Spannungsfestigkeit überschreiten kön­ nen. Die Folge sind elektrische Überschläge, die einen loka­ len Schaden und somit einen Isolationsverlust des Moduls ver­ ursachen können.

Der Verlauf der Äquipotenziallinien bei einem solchen Aufbau gemäß dem Stand der Technik ist in der Fig. 2 in einem ver­ größerten Ausschnitt aus der Darstellung in Fig. 1 darge­ stellt. 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 Fig. 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 Fig. 2 ist er­ sichtlich, dass an den Kanten 14 bei diesem Aufbau gemäss dem Stand der Technik eine hohe Feldstärke herrscht, so dass es bei Überschreiten einer materialabhängigen Durchbruchfeld­ stärke zu unkontrollierten Entladungen kommt, durch die emp­ findliche Bauelemente der Schaltung zerstört werden können.

In der bereits genannten WO 00/08686 wird ein Weg offenbart die Durchbruchspan­ nung 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 Metalli­ sierung) zu seiner Umgebung gesenkt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochspannungsmodul der eingangs genannten Art derart weiter­ zubilden, 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 An­ spruch 12 oder 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten ab­ hängigen 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-)Sub­ strat befestigt. Das besagte (Metall-Keramik-)Substrat be­ steht 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 einge­ gossen. 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
• - aus einer Mischung enthaltend ein Gel sowie Partikel mit hoher Dielektrizitätskonstante im Vergleich zum Gel.

Der Gesamt-Weichverguss kann demnach einerseits räumlich be­ grenzt, d. h. im Bereich der Außenkanten des (Metall-Keramik-)­ Substrats, neben dem Gel noch die schwach leitfähigen Parti­ kel bzw. die elektrisch isolierenden Partikel aufweisen, wäh­ rend außerhalb des Bereichs der Außenkanten reines Gel vor­ handen sein kann. Alternativ kann aber auch der gesamte Weichverguss schwach leitfähige Partikel bzw. elektrisch iso­ lierende Partikel enthalten.

Das Hochspannungsmodul wird demnach gemäß dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren auf der Höhe der Außenkanten des Substrats mit schwach leitfähigen Partikeln zunächst aufgefüllt, wobei bei­ spielsweise mit einem Rüttelverfahren dafür gesorgt wird, dass sich die Partikel an den Randbereichen der Substrate op­ timal verteilen. Anschließend wird das Modul mit einem geeig­ neten Gel, beispielsweise einem Silikon-Gel, insbesondere in einem Vakuumverfahren, vergossen. Dadurch wird erreicht, dass nach Aushärtung des Vergusses (Gel) eine schwache Leitfähig­ keit im Verguss bestehen bleibt.

Die elektrische Leitfähigkeit der schwach leitfähigen Parti­ kel 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 leitfähi­ ge 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 Die­ lektrizitätskonstanten, eingesetzt. Unter hohen Dielek­ trizitätskonstanten 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 die­ lektrisch inhomogene Struktur hat die Eigenschaft, die Feld­ verteilung durch einen Quasi-Streueffekt zu verändern und die Felder zu homogenisieren. Dadurch wird die gewünschte Feldre­ duktion an den Kanten der Metallteile auf der Keramik er­ zielt.

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 Be­ reich von 50-300 µm 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 Me­ tallisierungen der Keramiksubstrate und anderen Teilen ent­ stehen im wesentlichen verhindert. Dadurch ist die Realisie­ rung eines Hochspannungsmoduls für eine Isolation von mindes­ tens etwa 6 kV_rms möglich. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere in der vergleichsweise einfa­ chen Realisierbarkeit, insbesondere gegenüber der in WO 00/08686 vorgeschlagenen Lösung.

Eine Verbesserung der Feldverteilung durch Randbeschichtungen dielektrischer Schichten zu erzielen, erfordert äußerst prä­ zise Beschichtungsverfahren. Demgegenüber wird im vorliegen­ den Verfahren durch einfaches Einschütten von elektrisch iso­ lierenden Partikeln bzw. von schwach leitfähigen Partikeln in das Modul, Rütteln zur optimalen Verteilung der Partikel, so­ wie anschließendem Verguss mit einem geeigneten Gel eine we­ sentlich rationellere und damit kostengünstigere Lösung be­ reitgestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt dabei einen typischen Aufbau eines vergossenen Schaltelements nach dem Stand der Technik.

Die Fig. 2 zeigt den Feldverlauf bei einem Aufbau nach dem Stand der Technik.

Die Fig. 3a bis 3c zeigen jeweils einen Ausschnitt einer bevorzugten Anordnung des erfindungsgemäßen Hoch­ spannungsmoduls für ein geeignetes Bauelement.

Die Fig. 3a umfasst eine bevorzugte Ausführungsform, in wel­ cher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit im wesentlichen gleicher Partikelgröße verwendet werden. Die Keramikschicht 1 ist über die untere Metall­ schicht 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 Kera­ mikschicht 1 einen größeren Abstand auf wie der Rand der un­ teren Metallschicht 16. Alternativ kann aber die obere Me­ tallschicht 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" er­ gibt. 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 Fig. 3b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, in wel­ cher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit unterschiedlicher Partikelgröße verwendet wer­ den. Dadurch entsteht eine Gradientenmischung mit großen so­ wie 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 Metall­ schicht 15 weist zum Rand der Keramikschicht 1 einen größeren Abstand auf wie der Rand der unteren Metallschicht 16. Alter­ nativ kann aber die obere Metallschicht 15 zum Rand der Kera­ mikschicht 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 AlN- Keramikschicht 1 befindet sich eine obere und eine untere Me­ tallschicht 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 auf­ geschüttet und mit einem Silikon-Gel 8 vergossen.

Die Fig. 3c zeigt eine der Fig. 3b entsprechende besonders bevorzugte Ausführungsform, in welcher elektrisch isolierende Partikel bzw. schwach leitfähige Partikel mit unterschiedli­ cher 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 Parti­ kel wird eine dielektrisch inhomogene Struktur erzeugt, wel­ che 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 Die­ lektrizitätskonstante 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.

Claims (14)

1. Hochspannungsmodul mit einem Gehäuse (9) zur Aufnahme mindestens eines Bauelements, das auf einem Substrat aus ei­ ner Keramikschicht (1) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Haupt­ seite (12), einer oberen Metallschicht (15) auf der ersten Hauptseite (11) und einer unteren Metallschicht (16) auf der zweiten Hauptseite (12) befestigt ist, wobei der Schaltungs­ aufbau in einen Weichverguss (8) eingegossen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Weichverguss (8) zumindest im Bereich der Aussenkanten (14) des Substrats aus einer Mischung aus einem Gel sowie schwach leitfähigen Partikeln (17) besteht.

2. Hochspannungsmodul mit einem Gehäuse (9) zur Aufnahme mindestens eines Bauelements, das auf einem Substrat aus ei­ ner Keramikschicht (1) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Haupt­ seite (12), einer oberen Metallschicht (15) auf der ersten Hauptseite (11) und einer unteren Metallschicht (16) auf der zweiten Hauptseite (12) befestigt ist, wobei der Schaltungs­ aufbau in einen Weichverguss (8) eingegossen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Weichverguss zumindest im Bereich der Aussenkanten (14) des Substrats aus einer Mischung aus einem Gel sowie elekt­ risch isolierenden Partikeln mit hoher Dielektrizi­ tätskonstante im Vergleich zum Gel besteht.

3. Hochspannungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektrisch isolierenden Partikel (17) eine Die­ lektrizitätskonstante von mindestens 2,0 aufweisen, insbeson­ dere von mehr als 6.

4. Hochspannungsmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die elektrisch isolierenden Partikel (17) aus Glaskugeln, Glasgranulat, nichtleitenden Kunststoffen, Harzen, Elastomeren, Oxiden und/oder Nichtoxid-Keramiken be­ stehen.

5. Hochspannungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die schwach leitfähigen Partikel (17) aus leitenden Kunststoffen, Harzen und/oder Elastomeren bestehen.

6. Hochspannungsmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach leitfähigen Partikel bzw. die elektrisch isolierenden Partikel (17) eine Größe von etwa 50-300 µm aufweisen.

7. Hochspannungsmodul nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach leitfähigen Partikel bzw. die elektrisch isolierenden Partikel (17) eine breite Korngrößenverteilung aufweisen.

8. Hochspannungsmodul nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel ein Silikon-Gel ist.

9. Hochspannungsmodul nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichverguss (8) lediglich im Bereich der. Aussenkanten (14) des Substrats schwach leitfähige Partikel bzw. elektrisch isolierende Par­ tikel aufweist.

10. Hochspannungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass der gesamte Weichverguss (8) schwach leitfähige Partikel bzw. elektrisch isolierende Par­ tikel enthält.

11. Hochspannungsmodul nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, mit einem Gehäuse (9), in welchem sich mindestens ein Bauelement (4, 5) befindet, das auf einem Substrat aus einer Keramikschicht (1) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Haupt­ seite (12), einer oberen Metallschicht (15) auf der ersten Hauptseite (11) und einer unteren Metallschicht (16) auf der zweiten Hauptseite (12) befestigt ist, wobei der gesamte Schaltungsbereich und insbesondere der Bereich der Kanten (14) ein Weichverguss (8) aus einer Mischung aus einem Sili­ kon-Gel sowie schwach leitfähigen Kunststoff-Partikeln (17) aufweist und mit einer Hartvergussmasse (7) aufgefüllt ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsmoduls mit einem Gehäuse (9), in welchem sich mindestens ein Bauelement (4, 5) befindet, das auf einem Substrat aus einer Keramik­ schicht (1) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite (12), einer oberen Metallschicht (15) auf der ersten Hauptseite (11) und einer unteren Metallschicht (16) auf der zweiten Hauptseite (12) befestigt ist, wobei der Schaltungsaufbau in einen Weichverguss (8) eingegossen ist, bei dem das Hochspan­ nungsmodul in einem ersten Schritt zumindest im Bereich der Aussenkanten (14) des Substrats mit schwach leitfähigen Par­ tikeln (17) zumindest teilweise aufgefüllt und anschließend in einem weiteren Schritt mit einem Gel vergossen wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsmoduls mit einem Gehäuse (9), in welchem sich mindestens ein Bauelement (4, 5) befindet, das auf einem Substrat aus einer Keramik­ schicht (1) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite (12), einer oberen Metallschicht (15) auf der ersten Hauptseite (11) und einer unteren Metallschicht (16) auf der zweiten Hauptseite (12) befestigt ist, wobei der Schaltungsaufbau in einen Weichverguss (8) eingegossen ist, bei dem das Hochspan­ nungsmodul in einem ersten Schritt zumindest im Bereich der Aussenkanten (14) des Substrats mit Partikeln von hoher Dielektrizitätskonstante zumindest teilweise aufgefüllt und anschließend in einem weiteren Schritt mit einem Gel vergos­ sen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, dass das Hochspannungsmodul in einem Vakuumverfahren mit einem Gel vergossen wird.