-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul mit einem ersten Schaltungsträger aus einem Trägersubstrat und einer ersten Leiterstruktur mit einem externen Kontaktbereich, mindestens einer zweiten Leiterstruktur mit mindestens einem externen Kontaktbereich und einer weiteren, dritten Leiterstruktur, die einen externen Kontaktbereich umfasst, ferner mit einer ersten Gruppe von Halbleiterbauelementen und einer zweiten Gruppe von Halbleiterbauelementen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.
-
Stand der Technik
-
Im Stand der Technik werden Leistungsmodule, welche beispielsweise in einer Leistungsmodulbrücke verbaut sind, zusätzlich gemoldet. Beim Molden wird das Leistungsmodul in ein festes Schutzgehäuse, beispielsweise aus Kunststoff (Moldmasse), eingebettet. Die Moldmasse dient dazu, das Innere des Leistungsmoduls zu umhüllen und zu schützen. Diese Umhüllungen des Leistungsmoduls durch Moldmasse sind jedoch nicht besonders widerstandsfähig gegen Risse.
-
Aus der
DE 10 2014 219 998 B4 ist ein Leistungsmodul insbesondere zur Bereitstellung eines Phasenstroms für einen Elektromotor bekannt. Das Leistungsmodul umfasst einen Schaltungsträger mit einer Oberfläche, zumindest zwei erste Kontaktflächen auf der Oberfläche und zumindest zwei erste Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist auf jeweils einer der ersten Kontaktflächen unmittelbar angeordnet und über seine Bodenkontaktfläche unmittelbar mit der jeweiligen ersten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Zudem umfasst das Leistungsmodul eine zweite Kontaktfläche auf der Oberfläche und zumindest zwei zweite Leistungstransistoren, die jeweils je eine Bodenkontaktfläche aufweisen. Die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren sind auf der zweiten Kontaktfläche unmittelbar angeordnet und über ihre jeweiligen Bodenkontaktflächen unmittelbar mit der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Des Weiteren umfasst das Leistungsmodul zumindest zwei dritte Kontaktflächen auf der Oberfläche, wobei die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche aufweisen und jeweils ein zweiter Leistungstransistor der zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren über seine weitere Kontaktfläche mit jeweils einer der zumindest zwei dritten Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden ist. Die zumindest zwei ersten Kontaktflächen und die zumindest zwei dritten Kontaktflächen sind in einer Längsrichtung des Leistungsmoduls alternierend nacheinander angeordnet und die zweite Kontaktfläche ist neben den zumindest zwei ersten Kontaktflächen und den zumindest zwei dritten Kontaktflächen angeordnet, wobei die zweite Kontaktfläche zumindest zwei Kontaktbereiche aufweist, wobei sich jeweils einer der zumindest zwei Kontaktbereiche neben jeweils einem der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren befindet. Die zumindest zwei ersten Leistungstransistoren weisen auf ihren von der Oberfläche des Schaltungsträgers abgewandten Seiten jeweils je eine weitere Kontaktfläche auf und jeweils ein erster Leistungstransistor der zumindest zwei ersten Leistungstransistoren ist über seine weitere Kontaktfläche mit dem jeweils einen sich neben ihm befindenden Kontaktbereich der zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Hierbei sind die zumindest zwei Kontaktbereiche der zweiten Kontaktfläche und die zumindest zwei zweiten Leistungstransistoren in der Längsrichtung alternierend nacheinander angeordnet.
-
Aus
EP 2 418 925 B1 ist eine elektrische Kontaktierung zwischen einer mindestens eine Leiterbahn aufweisenden Flexfolie und mindestens einem elektrischen Kontakt eines Sensor- oder eines Steuergerätes bekannt. Hierbei ist ein Endabschnitt der Flexfolie an einer Berührstelle durch Wärmeeintrag elektrisch kontaktiert, wobei der Endabschnitt der Flexfolie an der Berührstelle an vorstehend ausgebildete elektrische Kontakte angestellt ist. Der Endabschnitt der Flexfolie ist als Wellenschlag, insbesondere als Umlenkung ausgebildet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul vorgeschlagen, mit einem Schaltungsträger, der ein Trägersubstrat und eine elektrische Isolationsschicht umfasst, wobei der Schaltungsträger eine erste Leiterstruktur mit einem externen Kontaktbereich und mindestens eine zweite Leiterstruktur mit mindestens einem externen Kontaktbereich und eine weitere, dritte Leiterstruktur, die mindestens einen externen Kontaktbereich umfasst, aufweist, mit einzeln oder in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelementen, wobei dem Leistungsmodul ein Multifunktionsrahmen mit einer Leiterplatte zugeordnet ist und die Gruppen von Halbleiterbauelementen in einer ersten Ebene angeordnet sind, die von einer zweiten Ebene im Multifunktionsrahmen räumlich getrennt ist. Die Leiterplatte umfasst eine Anzahl von Stiften/Pins, die in Hülsen eingesteckt sind, die entweder mit einem Spacer am Halbleiterbauelement oder einem AMB-Substrat stoffschlüssig gefügt sind.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls sind die Halbleiterbauelemente auf einem Boden des Leistungsmoduls einzeln oder in Gruppen angeordnet.
-
Des Weiteren ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Leistungsmodul derart beschaffen, dass das Leistungsmodul mit einer Kühlfläche entweder über eine Klebeverbindung, eine Lotverbindung oder eine Sinterverbindung verbunden ist. Durch die genannten Ausführungsvarianten der Verbindung zwischen Kühlfläche und Leistungsmodul kann eine flächige und effektive Wärmeübertragung erreicht werden.
-
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls sind in den Multifunktionsrahmen eingespritzte Signalübertragungspins derart ausgeführt, dass diese in Hülsen eingepresst sind, die mit dem AMB-Substrat stoffschlüssig, insbesondere verschweißt werden. Die Signalübertragungspins können beispielsweise über Bondverbindungen mit NTCs oder dergleichen verbunden werden, so dass eine Erfassung der Temperatur des Leistungsmoduls bei dessen Betrieb möglich ist.
-
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmoduls ist die Leiterplatte mit dem Multifunktionsrahmen über die Stifte elektrisch verbunden.
-
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmodul ist vorgesehen, dass der Multifunktionsrahmen in Z-Richtung gesehen oberhalb oder unterhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist.
-
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Leistungsmodul ist vorgesehen, dass innerhalb des Multifunktionsrahmens stromführende Bauteile, insbesondere eine T+-Brücke und eine T- -Brücke übereinander- oder nebeneinanderliegend ausgebildet sind, derart, dass niederinduktive Anbindungen ausgebildet werden.
-
Beim Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieses und/oder der Multifunktionsrahmen von einer Moldmasse zumindest teilweise umschlossen.
-
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Leistungsmoduls in einem Inverter oder einer Leistungselektronik zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
-
Vorteile der Erfindung
-
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich eine Trennung zwischen einer aktiven Fläche und einer Layoutfläche durch räumliche Separierung des Multifunktionsrahmens und des Leistungsmoduls erreichen. Die Stromführung wird auf einen in Z-Richtung oberhalb des Leistungsmoduls angeordneten Multifunktionsrahmen verlagert. Damit lassen sich die eingesetzten, einzeln oder in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelemente besser kühlen, da größere Abstände zwischen den beispielsweise in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelementen realisiert werden können. In vorteilhafter Weise sind die stromführenden Pfade, wie T+-Pfad und T- -Pfad im Multifunktionsrahmen übereinanderliegend oder nebeneinanderliegend ausgeführt, so dass sich eine niederinduktive Anbindung ergibt und die sich einstellenden Schaltverluste signifikant reduzieren lassen.
-
Aufgrund des vorgeschlagenen Aufbaus des Leistungsmoduls lässt sich dessen Komplexität erheblich verringern, so dass für die Fertigung desselben deutlich weniger Prozessschritte erforderlich werden. Die Lebensdauer wird aufgrund der robusten Auslegung erhöht, da die Komplexität des Leistungsmoduls durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung deutlich reduziert wird.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einen ersten Schaltungsträger eines Leistungsmoduls aus einem Trägersubstrat und einer Anordnungsmöglichkeit von Halbleiterschaltern,
- 2 eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul mit voneinander getrennter Kühl- und Layoutfläche mit seitlich angeordneten Bereichen für Einpresspins,
- 3 eine Anordnung aus einem auf einer Kühlfläche aufgenommenen Leistungsmodul und in Z-Richtung darüberliegend angeordnetem Multifunktionsrahmen,
- 4 eine perspektivische Draufsicht auf eine Leiterplatte des Leistungsmoduls,
- 5 die Leiterplatte gemäß 4, hier vom transparent dargestellten Multifunktionsrahmen umschlossen,
- 6 die Draufsicht auf die in Gruppen angeordneten Halbleiterbauelemente mit transparent oberhalb von diesen angedeuteter Leiterplatte,
- 7 eine Schnittdarstellung durch die Anordnung gemäß 5,
- 8.1 eine Ausführungsvariante einer Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Halbleiterbauelement,
- 8.2 eine Ausführungsvariante eines elektrischen Kontakts zwischen einer Leiterplatte und einem AMB-Substrat und
- 8.3 eine Ausführungsvariante eines Signalübertragungspins, der über eine Hülse mit einem AMB-Substrat elektrisch kontaktiert ist.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
-
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leistungsmodul 12, insbesondere auf dessen ersten Schaltungsträger 14.
-
Die Draufsicht gemäß 1 zeigt, dass ein Trägersubstrat 40 des ersten Schaltungsträgers 14 mit einer Anzahl von Leiterstrukturen 18, 20A, 20B, 22 versehen ist. Der erste Schaltungsträger 14 erstreckt sich in einer X,Y-Ebene 10, wobei der erste Schaltungsträger 14 mit einer elektrischen Isolationsschicht 16 versehen ist. Auf dieser befinden sich durch kanalförmige Unterbrechungen voneinander getrennt eine erste Leiterstruktur 18, die einen externen Kontaktbereich 18.2 aufweist. Ferner befinden sich symmetrisch zu einer Mittellängsachse 24 des Leistungsmoduls 12 zweite Leiterstrukturen 20A, 20B einander gegenüberliegend auf dem ersten Schaltungsträger 14. Jede der beiden zweiten Leiterstrukturen 20A, 20B umfasst einen externen Kontaktbereich 20A.2, 20B.2. Schließlich ist auf dem ersten Schaltungsträger 14 beziehungsweise auf dessen elektrischer Isolationsschicht 16 eine dritte Leiterstruktur 22 aufgebracht, die mindestens einen externen Kontaktbereich 22.2 aufweist.
-
Die genannten Leiterstrukturen 18, 20A, 20B, 22 sind elektrisch voneinander getrennt und im Wesentlichen symmetrisch zur Mittellängsachse 24 auf dem ersten Schaltungsträger 14 aufgebracht. Mit Position 36 ist eine aktive Fläche bezeichnet, eine diese umschließende Layoutfläche für die Stromführung ist mit Bezugszeichen 38 bezeichnet. Als Trägersubstrat 40 des ersten Schaltungsträgers 14 kann zum Beispiel AMB (Active Metal Brazing) gewählt werden, welches OFC (oxygen-free copper)/Si3N4/OFC enthält.
-
Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 12 zu entnehmen, wobei in dieser schematischen Darstellung auf aktiven Flächen 36 Halbleiterbauelemente 42 angeordnet sind, bei denen es sich beispielsweise um Transistoren, MOSFETs oder andere Halbleiterbauelemente, die als Halbleiterschalter eingesetzt werden können, handeln kann. 2 ist zu entnehmen, dass auf den aktiven Flächen 36 einerseits eine erste Gruppe 64 von Halbleiterbauelementen 42 aufgenommen ist. Die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 können beispielsweise als MOSFETs ausgebildet sein und weisen an ihren äußeren Seiten Steueranschlüsse 34 auf, über welche eine nicht näher dargestellte Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauelemente 42 der ersten Gruppe 64 von Halbleiterbauelementen 42 erfolgen kann. Analog zur ersten Gruppe 64 ist eine zweite Gruppe 66 von Halbleiterbauelementen 42 angeordnet, bei denen es sich ebenfalls um MOSFETs handeln kann, an deren äußerem Bereich jeweils Steueranschlüsse 34 ausgebildet sind. Über die Steueranschlüsse 34 können die Halbleiterbauelemente 42 der zweiten Gruppe 66 von Halbleiterbauelementen 42 von außen her angesteuert werden, was jedoch in der Darstellung gemäß 2 nicht näher gezeigt ist.
-
Des Weiteren ist der Draufsicht gemäß 2 zu entnehmen, dass in der in 2 dargestellten X,Y-Ebene 10 an den Längsseiten des ersten Schaltungsträgers 14 in Gestalt eines Trägersubstrats 40 Bereiche vorgesehen sind, in denen Einpresspins 76 - 94 in die Zeichenebene gemäß 2 hervorstehen. Im Einzelnen handelt es sich um erste und zweite Einpresspins 76, 78 sowie um dritte und vierte Einpresspins 80, 82 sowie einander gegenüberliegend angeordnet um fünfte und sechste Einpresspins 84, 86. Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite des ersten Schaltungsträgers 14 sind siebte und achte Einpresspins 88, 90 vorgesehen sowie neunte und zehnte Einpresspins 92, 94. Die räumliche Anordnung der Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 ist den Darstellungen gemäß 3 und 4 detaillierter zu entnehmen.
-
Der Seitenansicht gemäß 3 ist zu entnehmen, dass ein hier von der Außenseite dargestelltes Leistungsmodul 12 mit seiner Unterseite 120 auf einer Kühlfläche 106 aufgenommen ist. In Z-Richtung 54 gesehen befindet sich oberhalb des Leistungsmoduls 12 ein Multifunktionsrahmen 50. An der Oberseite des in 3 von der Seite dargestellten Multifunktionsrahmens 50 stehen die einzelnen Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94 - hier in einer Zeichenebene liegend - in vertikaler Richtung nach oben hervor. Über die Einpresspins 76-94 lassen sich die einzelnen Komponenten innerhalb des Multifunktionsrahmens 50 beziehungsweise des darunterliegend angeordneten Leistungsmoduls 12 auf robuste und einfache Art und Weise elektrisch kontaktieren.
-
Der Darstellung gemäß 4 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsvariante des Leistungsmoduls 12 zu entnehmen.
-
4 zeigt, dass eine Leiterplatte 122 (PCB) oberhalb eines Bodens 96 des Leistungsmoduls 12 angeordnet ist. Eine Unterseite 126 der Leiterplatte 122 weist einer Anzahl von Halbleiterbauelementen 42 zu, die am Boden 96 des Leistungsmoduls 12 unter Zwischenschaltung eines AMB-Substrats 134 angeordnet sind. Das AMB-Substrat 134 ist hinsichtlich seines Aufbaus in den 8.1, 8.2 und 8.3 detaillierter dargestellt.
-
Die Unterseite 126 der Leiterplatte 122 kontaktiert die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 über domförmige Erhebungen, die sich zwischen der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 und beispielsweise Spacer-Scheiben 130, die oberhalb der Halbleiterbauelemente 42 ausgebildet sind, erstrecken.
-
Der Darstellung gemäß 5 ist zu entnehmen, dass die Leiterplatte 122 in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist. Der Multifunktionsrahmen 50 stellt ein Kunststoffbauteil dar, welches die Leiterplatte 122 derart umschließt, dass diese in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist. In der Darstellung gemäß 5 ist der Multifunktionsrahmen 50 in einer transparenten Darstellung wiedergegeben.
-
Seitlich am Leistungsmodul 12 befinden sich verschiedene Einpresspins 76, 78, 80, 82, 84, über welche verschiedene Bereiche des Leistungsmoduls 12 elektrisch kontaktiert sind.
-
Der Darstellung gemäß 6 ist eine weitere perspektivische Ansicht des Bodens 96 des Leistungsmoduls 12 zu entnehmen. In der Darstellung gemäß 6 ist die die Halbleiterbauelemente 42 gemäß 4 überdeckende Leiterplatte 122 als Umriss 136 dargestellt, d. h. in einer transparenten Darstellung wiedergegeben. Aus 6 geht hervor, dass die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 in besagten Gruppen 64, 66 in räumlichen Abständen zueinander nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die einzelnen Halbleiterbauelemente 42 umfassen jeweils einen scheibenförmig oder rechteckförmig ausgebildeten Spacer 130. Vor jedem Spacer 130 befindet sich eine domförmige Erhebung, welche den elektrischen Kontakt zur Unterseite 126 der in 6 nur in Umrissen 136 dargestellten Leiterplatte 122 gemäß 4 herstellt. Des Weiteren zeigt 6 einen ersten domförmigen Anschluss 140 sowie einen diesem gegenüberliegenden, zweiten domförmigen Anschluss 142, über welche über das Leistungsmodul 12 beispielsweise ein elektrischer Antrieb angesteuert werden kann.
-
Mittig ausgehend vom Folienkondensatoranschluss 128 erstreckt sich ein weiterer, dritter domförmiger Anschluss 144, der ebenfalls die in 6 als Umriss 136 dargestellte Leiterplatte 122 an deren Unterseite 126 kontaktiert.
-
Des Weiteren ist der perspektivischen Ansicht gemäß 6 zu entnehmen, dass beispielsweise ein NTC-Sensor 138 über drahtförmige Bondverbindungen 132 kontaktiert werden kann, so dass eine Temperaturmessung des Leistungsmoduls 12 und damit eine Temperaturüberwachung desselben möglich ist.
-
Der Schnittdarstellung gemäß 7 ist zu entnehmen, dass sich von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 Kontaktstifte, zum Beispiel Stifte 146 erstrecken, die entweder mit dem AMB-Substrat 134 elektrisch kontaktiert sind oder über zwischengeschaltete Spacer-Scheiben 130 mit den Halbleiterbauelementen 42 kontaktiert sind, wie dies in den 8.1 und 8.2 detaillierter dargestellt ist.
-
8.1 zeigt beispielsweise, dass ausgehend von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122, die in den Multifunktionsrahmen 50 eingebettet ist, sich ein Stift 146 in eine Hülse 150 erstreckt. In der Ausführungsvariante gemäß 8.1 ist die Hülse 150 auf der Oberseite der Spacer-Scheibe 130 stoffschlüssig gefügt, insbesondere verschweißt. Unterhalb der Hülse 150 und des Spacers 130 ist das zu kontaktierende Halbleiterbauelement 42 dargestellt, welches wiederum auf dem AMB-Substrat 134, zwei Kupferschichten und eine Keramikschicht umfassend, aufgebracht ist. Das AMB-Substrat 134 seinerseits ist über eine Lot-, Sinter- oder Klebeverbindung 148 mit besagter Kühlfläche 106 verbunden.
-
Während in der Darstellung gemäß 8.1 die elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements 42 dargestellt ist, kann über die in 8.2 dargestellte Ausführungsvariante die Leiterplatte 122 beziehungsweise ein von deren Unterseite 126 verlaufender Stift 146 auch mit dem AMB-Substrat 134 elektrisch verbunden werden. Dazu ist der von der Unterseite 126 der Leiterplatte 122 ausgehende Stift 146 in die Hülse 150 eingesteckt, die ihrerseits mittels einer Schweißverbindung auf der Oberseite des AMB-Substrats 134 stoffschlüssig gefügt ist.
-
Mit den in den 8.1 und 8.2 dargestellten Ausführungsvarianten der Verbindung der Leiterplatte 122 mit dem Halbleiterbauelement 42 beziehungsweise mit dem AMB-Substrat 134 lassen sich somit die verschiedenen, in 6 dargestellten Bereiche im Boden 96 des Leistungsmoduls 12 elektrisch kontaktieren.
-
8.3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der ein Signalübertragungsstift 152 in den Multifunktionsrahmen 50 eingepresst ist. Der Signalübertragungsstift 152 ist in die Hülse 150 eingesteckt, die ihrerseits mit der Oberseite des AMB-Substrats 134 stoffschlüssig gefügt, insbesondere verschweißt wird. Das AMB-Substrat 134, zwei Kupferschichten und eine Keramikschicht umfassend, wird mittels der Lot-, Sinter- oder Klebverbindung 148 mit der Oberseite der Kühlfläche 106 verbunden.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10 2014 219 998 B4 [0003]
- EP 2 418 925 B1 [0004]