-
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
-
Im Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge, bspw. batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles) und Hybridfahrzeuge, bekannt. Diese werden ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wieder aufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs üblicherweise ein mit einer Leistungselektronik ausgestatteter, sog. Wechselrichter geschaltet.
-
Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.
-
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs und weisen jeweils mehrere Anschlüsse zum Beaufschlagen des jeweiligen Halbleiterschaltelements mit einem Schalterstrom (Leistungsanschlüsse) sowie zum Einprägen eines Schaltsignals (Steueranschluss), um den Schalterstrom durchzulassen bzw. zu sperren. Zur Übertragung des Schaltsignals werden Signalpins verwendet, die einerseits mit dem Steueranschluss und andererseits mit einer Steuereinrichtung (bzw. Treibereinrichtung) verbunden sind, die eine mit Treiberbauteilen bestückte Leiterplatte umfasst.
-
Die Halbleiterschaltelemente können in einer Schutzverkleidung, vorzugsweise aus einem stromisolierenden Material aufgenommen sein. Die Leistungsanschlüsse und Signalpins als solche bzw. Kontaktbereiche zum Anschluss von Leistungsanschlüssen und Signalpins ragen aus der Schutzverkleidung, um außerhalb dieser kontaktiert zu werden.
-
Das Leistungsmodul ist über ein wärmeleitfähiges Substrat, bspw. aus Kupfer, mit einer Kühleinrichtung, bspw. einer Wasserkühleinrichtung, mittels einer vollflächig vorliegenden Verbindungsschicht stoffschlüssig verbunden, um entstehende Wärme optimal abzuführen.
-
Von Nachteil ist, dass bei der Verbindungsschicht in der Regel ungleichmäßige Schichtdicken auftreten. Diese ungleichmäßigen Schichtdicken können zum einen aus einer Lunkerbildung herrühren. Ferner kann der sog. „Badewanneneffekt“ auftreten, wonach zur Flächenmitte der Verbindungsschicht eine dünner werdende Schichtdicke der Verbindungsschicht erhalten wird. Hierdurch wird die thermische Leistungsfähigkeit bzw. Performance des Leistungsmoduls beinträchtigt. Darüber hinaus wird die Lebensdauer des Leistungsmoduls verringert.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
-
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.
-
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs. Das den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke, etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Halbleiterschaltelemente jeweils eine pluspolige Stromelektrode (z.B. Emitter-Elektrode oder Source-Elektrode), eine minuspolige Stromelektrode (z.B. Kollektor-Elektrode oder Drain-Elektrode) und eine Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) auf. Zusätzlich sind mehrere Signalpins jeweils mit einer der Elektroden elektrisch leitend verbunden. Die Signalpins sind vorzugsweise Pressfit-Pins, die jeweils einen Schaftabschnitt zum Einpressen in eine Leiterplatte einer Treibereinrichtung aufweisen.
-
Das Leistungsmodul umfasst ein Substrat mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite. Auf der ersten Seite des Substrats sind mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines Eingangstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente angeordnet. Auf der zweiten Seite des Substrats ist eine Verbindungsschicht aufgebracht. Weiterhin liegt eine Kühleinrichtung vor, wobei die mehreren Halbleiterschaltelemente über die Verbindungsschicht an die Kühleinrichtung angebunden und mit dieser thermisch gekoppelt sind.
-
Bevorzugt ist die Verbindungsschicht eine Sinterschicht. Alternativ kann die Verbindungsschicht als Lötschicht ausgebildet sein. Weiter alternativ kann die Verbindungsschicht als Polymerschicht ausgebildet sein. Die Verbindungsschicht ist allgemeiner formuliert eine Schicht zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung.
-
Die mehreren Halbleiterschaltelemente sind ferner über das Substrat mit der Verbindungsschicht verbunden. Mithin ist an Stellen an denen die Halbleiterschaltelemente das Substrat auf der einen Seite davon kontaktieren, auf der zweiten Seite des Substrats, welche der ersten Substratseite gegenüberliegt, die Verbindungsschicht angeordnet.
-
Darüber hinaus weist die Verbindungsschicht eine oder mehrere Aussparungen derart auf, dass eine der zweiten Seite des Substrats zugewandte Oberfläche der Verbindungsschicht kleiner ist als eine Oberfläche der zweiten Seite des Substrats. Die eine oder mehreren Aussparungen sind damit nicht an Stellen der zweiten Seite des Substrats angeordnet an denen ein Halbleiterschaltelement das Substrat auf der ersten Seite davon kontaktiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die eine oder mehreren Aussparungen des Verbindungsmaterials an nicht oder zumindest weniger relevanten Stellen der Substratunterseite lokalisiert sind. Mithin entspricht die Oberfläche der zweiten Seite des Substrats der Summe der Oberfläche der Verbindungsschicht und der Fläche(n) der einen oder mehrere Aussparungen.
-
Es wurde gefunden, dass das die derart flächenmäßig verkleinerte Verbindungsschicht nicht nur eine ausreichende Wärmeabfuhr ermöglicht, sondern auch ein bestmöglicher Kompromiss zwischen thermischer Leistungsfähigkeit bzw. Performance, einschließlich der Lebensdauer, des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls und der mit der Aufbringung der Sinterfläche einhergehenden Schwierigkeiten bei der Prozesstechnologie, einschließlich der Prozess- und/oder Materialkosten, bereitgestellt wird.
-
Durch die, mittels eine oder mehrere Aussparungen erzielte, im Vergleich zur Substratfläche auftretende Verkleinerung der Sinterfläche wird eine Strukturierung der Sinterfläche erreicht. Die Strukturierung kann derart stattfinden, dass die im Stand der Technik vorliegende große Einzelfläche in mehrere Teilflächen, bspw. vertikale und/oder horizontale Teilflächen und ferner symmetrische und/oder asymmetrische Teilflächen, räumlich aufgeteilt wird. Diese Teilflächen stehen in der Regel nicht miteinander in Kontakt.
-
Weiterhin kann die mit dem vollflächigen Anbringen der Verbindungsschicht an das Substrat einhergehende, für große Flächen erforderliche, höhere Prozesskompetenz und hohe Prozessgenauigkeit für den großflächigen Auftrags- bzw. Dispenseprozess und Platzierung des Substrats, Halbleiterschaltelemente, und weiterer Bestandteile verringert werden. Außerdem wird eine generell höhere Prozessgeschwindigkeit ermöglicht.
-
So wird das im Stand der Technik eingesetzte vollflächige Anbringen der Verbindungsschicht an das Substrat, bzw. durch Löten oder Sintern, und die damit einhergehenden engen Toleranzen für eine gleichmäßige Schichtdicke der Verbindungsschicht, vermieden. Es ist bekannt, dass bei der Anbringung größerer Flächen, bspw. einer Verbindungsschicht an eine Substratschicht, eher eine unerwünschte Lunkerbildung als bei kleinen oder kleineren Flächen auftritt. Die Lunkerbildung beeinträchtigt die thermische Leistungsfähigkeit bzw. Performance und Lebensdauer des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls. Weiterhin kann der bei dem Schablonendruck von großen Verbindungsflächen auftretende „Badewanneneffekt“ (einer dünner werdende Schichtdicke zur Flächenmitte der Verbindungsschicht) und mithin eine unzureichende Fertigungsgenauigkeit für die Dicke der Verbindungsschicht vermieden werden. Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung auftretende Reduzieren des Sinter- bzw. Lotmaterials bringt ferner eine Material- und Kosteneinsparung mit sich.
-
Vorzugsweise beträgt ein Verhältnis V der Oberfläche der zweiten Seite des Substrats zu der Oberfläche der Verbindungsschicht 1,01 ≤ V.
-
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Verhältnis V der Oberfläche der zweiten Seite des Substrats zu der Oberfläche der Verbindungsschicht 1,05 ≤ V ≤ 1,50. Die damit einhergehende Einsparung an Sintermaterial, welches für die Verbindungsschicht eingesetzt wird, resultiert in verringerten Materialkosten. Je nach Anordnung bzw. Ausdehnung der einen oder mehreren Aussparungen, bspw. eine oder mehrere Aussparungen, die die Verbindungsschicht untereilen, bspw. in zwei oder vier voneinander getrennte Bereiche, kann die Lunkerbildung und/oder der Badewanneneffekt verringert oder gänzlich vermieden werden.
-
Vorzugsweise weist das Substrat mehrere Schichten auf. So kann eine elektrische Leiterschicht, bspw. aus Kupfer, an der ersten Seite oder Oberseite des Substrats angeordnet sein und damit die mehreren Halbleiterschaltelemente kontaktieren. Mehr bevorzugt weist die elektrische Leiterschicht eine Materialauslassung, bspw. durch Ätzen des Materials der elektrischen Leiterschicht, derart auf, dass die elektrische Leiterschicht in zwei oder mehr voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist, wobei zwischen diesen zwei oder mehr voneinander getrennten Bereichen keine elektrische Leitfähigkeit auftritt. Eine weitere elektrische Leiterschicht, bspw. aus Kupfer, kann der zweiten Seite oder Unterseite des Substrats angeordnet sein und damit die Verbindungsschicht kontaktieren. Die weitere elektrische Leiterschicht ist ohne Materialauslassung bereitgestellt. Eine Isolationsschicht, bspw. aus Siliziumnitrid, kann ferner zwischen der elektrischen Leiterschicht und der weiteren elektrischen Leiterschicht angeordnet sein. Die Isolationsschicht ist ebenfalls ohne Materialauslassung bereitgestellt. Die Isolationsschicht stellt üblicherweise eine elektrische Isolation der Halbleiterschaltelemente, einschließlich deren Anschlüsse, und weitere Komponenten des Leistungsmoduls, gegenüber der Kühleinrichtung, insbesondere einem Wasserkühler, bereit.
-
Mehr bevorzugt weist das Substrat die elektrische Leiterschicht, ggf. mit einer Materialauslassung zur Unterteilung in zwei oder mehr voneinander getrennte Bereiche, eine weitere elektrische Leiterschicht, und eine zwischen der elektrischen Leiterschicht und der weiteren elektrischen Leiterschicht angeordnete Isolationsschicht auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Substrat auf der ersten Seite davon eine elektrische Leiterschicht auf, wobei die elektrische Leiterschicht durch eine Materialauslassung in zwei Bereiche unterteilt ist, wobei die eine oder mehreren Aussparungen in Abhängigkeit einer Platzierung der Materialauslassung angeordnet sind. So können die eine oder mehreren Aussparungen an Stellen angeordnet sein, die der Materialauslassung entsprechen. Die damit einhergehende Einsparung an Sintermaterial, die für die Verbindungsschicht eingesetzt wird, resultiert in verringerten Materialkosten. Außerdem kann eine Lunkerbildung und/oder ein Badewanneneffekt bei der Erstellung der Verbindungsschicht weiter verringert oder gänzlich vermieden werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform sind die eine oder mehreren Aussparungen in Abhängigkeit einer Platzierung der mehreren Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat angeordnet. Wie bereits vorstehend beschrieben sind die mehreren Halbleiterschaltelemente über das Substrat mit der Verbindungsschicht verbunden. Damit liegen die eine oder mehreren Aussparungen lediglich an Stellen vor, an denen keine Halbleiterschaltelemente vorliegen.
-
Diesbezüglich ist noch anzumerken, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, dass neben den Halbleiterschaltelementen vorliegende weitere Wärme bzw. Abwärme erzeugende Baugruppen, bspw. und insbesondere Leistungsanschlüsse, lediglich eine untergeordnete Rolle innehaben und bei der Betrachtung einer Wärmebilanz bzgl. der von dem Leistungsmodul abzuführenden Wärmemenge im Vergleich zu den mehreren Halbleiterschaltelementen vernachlässigt werden können.
-
Vorzugsweise liegt die Verbindungsschicht nicht nur „unterhalb“ der mehreren Halbleiterschaltelemente vor und lediglich durch das Substrat von Halbleiterschaltelementen getrennt vor, sondern auch in Umgebungsbereichen, welche jede der mehreren Halbleiterschaltelemente, vorzugsweise gleichmäßig, umgeben. Diese Umgebungsbereiche, an welchen die Verbindungsschicht ausgebildet vorliegt, weisen bspw. eine Fläche auf, die der eines Halbleiterschaltelements entspricht. Vorzugsweise weist jeder der Umgebungsbereiche eine größere Fläche als eines der Halbleiterschaltelemente auf. Dadurch kann bei der Verringerung der Fläche, und einer ggf. stattfindenden Strukturierung, der Verbindungsschicht eine ausreichende Wärmeabfuhr der Halbleiterschaltelemente sichergestellt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Platzierung der mehreren Halbleiterschaltelemente symmetrisch zu einer Spiegelebene oder zu zwei oder mehr Spiegelebenen. Die eine oder mehrere Spiegelebenen verlaufen senkrecht durch den Mittelpunkt der Verbindungsschicht bzw. des darüber liegenden Substrats. Die Platzierung der mehreren Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat ermöglicht eine niedrige Symmetrie mit lediglich einer Spiegelebenen und damit vorzugsweise eine Unterteilung der Verbindungsschicht in bis zu zwei räumlich voneinander getrennte Bereiche. Erfolgt die Platzierung der mehreren Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat derart, dass eine hohe Symmetrie mit zwei oder mehr Spiegelebenen vorliegt, kann eine Unterteilung der Verbindungsschicht in eine größere Anzahl an voneinander getrennten Bereichen, bspw. und vorzugsweise vier räumlich voneinander getrennte Bereiche erfolgen. Bei einer höheren Anzahl von (räumlich) voneinander getrennten Bereichen der Verbindungsschicht, wodurch die Prozesskompetenz und Prozessgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform liegt bei einer Spiegelebene eine Aussparung vor, die die Verbindungsschicht in zwei Flächen mit verschiedenen Abmessungen aufteilt, vorzugsweise wobei eine gleiche Anzahl der mehreren Halbleiterschaltelemente bzgl. jeder der zwei Flächen lokalisiert ist. Die Ausbildung von zwei (räumlich) voneinander getrennten Bereichen der Verbindungsschicht ermöglicht eine weitere Verbesserung der Prozesskompetenz und Prozessgenauigkeit.
-
Gemäß einer Ausführungsform gilt bei zwei oder mehr Spiegelebenen eines oder mehrere von: a) eine Aussparung teilt die Verbindungsschicht in zwei Flächen von im Wesentlichen gleichen Abmessungen auf; b) zwei Aussparungen teilen die Verbindungsschicht in vier Flächen von im Wesentlichen gleichen Abmessungen auf; c) zwei Aussparungen sind entlang zwei gegenüberliegenden bzw. abgewandten Seitenbereichen der Verbindungsschicht angeordnet, vorzugsweise wobei die zwei Aussparungen in einem Mittelbereich der zwei gegenüberliegenden bzw. abgewandten Seitenbereiche der Verbindungsschicht angeordnet sind, d) eine Aussparung ist jeweils an einem Eckbereich der Verbindungsschicht angeordnet. Der Seitenbereich der Verbindungsschicht bezeichnet hierbei horizontale Randbereiche der Verbindungsschicht. Mithin resultieren zwei Aussparungen, die entlang zwei abgewandten Seitenbereichen der Verbindungsschicht angeordnet sind, vorzugsweise in einer Abnahme in einer horizontalen Richtung. Bspw. ist angrenzend an ein im Wesentlichen quadratisches Substrat eine im Wesentlichen rechteckige Verbindungsschicht angeordnet, wobei eine horizontale Dimension der Verbindungsschicht einer horizontalen Dimension des Substrats entspricht. Ein Mittelbeich eines Seitenbereichs der Verbindungsschicht betrifft einen horizontalen Randbereich der Verbindungsschicht, der lediglich an einer horizontalen Dimension der Verbindungsschicht vorliegt. Die Ausbildung von zwei, vier oder mehr (räumlich) voneinander getrennten Bereichen der Verbindungsschicht ermöglicht eine weitere Verbesserung der Prozesskompetenz und Prozessgenauigkeit.
-
Die Verbindungsschicht kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bspw. als Lötverbindung oder Wärmeleitkleberverbindung ausgestaltet sein.
-
Die Kühleinrichtung kann bspw. in Form eines Wasserkühlers vorliegen. Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung mittels der Verbindungsschicht mit dem Leistungsmodul stoffschlüssigen verbunden, wodurch sich eine optimale Wärmeleitfähigkeit von dem Leistungsmodul zur Kühleinrichtung ergibt.
-
Das Leistungsmodul kann ferner in ein Gehäuse aufgenommen vorliegen. Das Gehäuse ist bspw. aus einer elektrisch nichtleitenden Vergussmasse, bspw. ein Harz, gebildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsmodul als Halbrückenmodul mit einer Modulhighside und einer Modullowside ausgebildet, wobei die Modulhighside und die Modullowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. In diesem Fall kann das Halbbrückenmodul selbst als eine vollständige Halbbrücke fungieren. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke zu bilden. Die Modulhighsides sind zueinander parallelgeschaltet, um eine Highside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. Gleichzeitig sind die Modullowsides zueinander parallelgeschaltet, um eine Lowside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. In einem Stromrichter, insbesondere einem Wechselrichter, können mehrere, beispielsweise drei, solche kombinierten Halbbrücken verwendet werden, wobei jede kombinierte Halbbrücke eine Phaseneinheit bildet, an deren Stromausgang einer von mehreren Phasenströmen des AC-Stroms erzeugt wird.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Leistungsmodul, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
-
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung betreffen Ausdrücke wie „Substrat“ oder „ Verbindungsschicht" planare Schichten mit einer Ober- und einer Unterseite. So kontaktiert bspw. eine Unterseite des Substrats eine Oberseite der Verbindungsschicht. Die Ausdrücke wie „Oberseite“ bzw. „Unterseite“ bezeichnen hierbei Richtungen unter Bezug auf das Leistungsmodul bzw. die Kühleinrichtung. So sind die Halbleiterschaltelemente an der Oberseite und die Kühleinrichtung an einer Unterseite des Leistungsmoduls eingerichtet. Ausdrücke wie „im Wesentlichen“ betreffen Abweichung von weniger als ±3%, vorzugsweise von weniger als ±2%, weniger als ±1 %, weniger als ±0.1 %, oder weniger als ±0.01 % von dem genannten Wert. Im Falle einer Winkelangabe oder einem mit einem Winkel assoziierten Wert, bspw. „im Wesentlichen achteckig“, ist eine Abweichung von weniger als ±3°, vorzugsweise von weniger als ±2°, weniger als ±1 °, weniger als ±0.1 °, oder weniger als ±0.01° von dem genannten Wert bzw. dem mit einem Winkel assoziierten Wert, bspw. einem Winkel eines Achtecks.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform in Perspektivansicht,
- 2-8 schematische Darstellungen verschiedener Möglichkeiten die Fläche der Verbindungsschicht durch Aussparungen zu verringern bzw. zu strukturieren, und
- 9 zwei schematische Darstellungen eines Leistungsmoduls in Perspektivansicht gemäß dem Stand der Technik.
-
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform in Perspektivansicht. Der 1 kann entnommen werden, dass das erfindungsgemäße Leistungsmodul 10 mehrere Halbleiterschaltelemente 12 aufweist. Diese Halbleiterschaltelemente 12 sind auf einer Oberseite bzw. einer ersten Seite 16' eines Substrats 16 aufgebracht. Angrenzend an eine Unterseite bzw. zweite Seite 16" des Substrats 16 ist die Verbindungsschicht 18 mit mehreren Aussparungen 18 aufgebracht. Über die Verbindungsschicht 18 sind die mehreren Halbleiterschaltelemente 12 an eine Kühleinrichtung 14, bspw. einem Wasserkühler, angebunden und mit dieser thermisch gekoppelt.
-
Weiterhin kann der 1 entnommen werden, dass das Substrat 16 aus mehreren Schichten 16a-c aufgebaut ist. So sind die Halbleiterschaltelemente 12 auf eine elektrische Leiterschicht 16a aufgebracht, die vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist. Angrenzend an die Verbindungsschicht 18 liegt eine weitere elektrische Leiterschicht 16c vor, die vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist. Zwischen der elektrische Leiterschicht 16a und der weiteren elektrische Leiterschicht 16c liegt eine Isolationsschicht 16b vor, die vorzugsweise aus Siliziumnitrid gebildet ist. Mithin ist eine erste Seite des Substrats 16' eine den Halbleiterschaltelementen 12 zugewandte Seite (Oberseite) der ersten elektrischen Leiterschicht 16a und eine zweite Seite des Substrats eine der Verbindungsschicht zugewandte Seite (Unterseite) der weiteren elektrischen Leiterschicht 16c. Die elektrische Leiterschicht 16a liegt im vorliegenden Fall in zwei voneinander elektrisch getrennte Bereichen vor. Dies kann bspw. durch Ätzen der elektrische Leiterschicht 16a aus Kupfer bewerkstelligt werden. Der erhaltene sog. Ätzgraben stellt damit eine gewünschte Unterteilung des Substrats 16 in zwei voneinander elektrisch getrennte Bereiche bereit.
-
Die Verbindungsschicht 18 ist mit Aussparungen 20a, 20b versehen, die im vorliegenden Fall zur besseren Veranschaulichung als von der Verbindungsschicht wegzunehmende Bereiche durch gestrichelte Linien verdeutlicht sind. Es ist zu erkennen, dass eine Aussparung 20b die Verbindungsschicht 18 in zwei getrennte Bereiche von im Wesentlichen gleichen Abmessungen unterteilt. Diese Aussparung 20b befindet sich in einem Bereich der Verbindungsschicht 18, der den durch eine Materialauslassung erzeugten zwei voneinander elektrisch getrennten Bereichen der elektrische Leiterschicht 16a entspricht.
-
Darüber hinaus liegen vier weitere Aussparungen 20a in den Eckbereichen der Verbindungsschicht 18 vor. Dadurch ist die Oberfläche der Verbindungsschicht 18 im Vergleich zu der durch die Schichten 16b und 16c, insbesondere eine Oberfläche der zweiten Seite 16" des Substrats 16, definierten Oberfläche des Substrats 16 verringert.
-
Ein Verhältnis V der Oberfläche der zweiten Seite 16" des Substrats 16 zu der Oberfläche der Verbindungsschicht 18, welche der zweiten Seite 16" des Substrats 16 zugewandt ist, beträgt im vorliegenden Fall V = 1,1. Es ist klar, dass andere Werte von V, in Abhängigkeit der Größe der Aussparungen 20a, 20b, realisiert werden können.
-
Die 2-8 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Möglichkeiten die Fläche, insbesondere die Oberfläche, der Verbindungsschicht durch Aussparungen zu verringern bzw. zu strukturieren. Hierbei werden zur besseren Veranschaulichung lediglich, die Kühleinrichtung 14, die Verbindungsschicht 18, die Aussparungen 20a, 20b, 20c und ggf. eine Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechende Bereiche 22 schematisch angezeigt. Diese Bereiche 22 entsprechen den auf dem Substrat angeordneten Halbleiterelementen (beide nicht gezeigt). Die Fläche, insbesondere die Oberfläche, des Substrats entspricht im vorliegenden Fall der Summe der Flächen der einen oder mehreren Aussparungen 20a, 20b, 20c und der Verbindungsschicht 18. Eine beliebige Zahl von Bereichen 22, vorzugsweise sechs oder acht, können vorliegen.
-
Die 2a zeigt eine perspektivische Ansicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist zwei Aussparungen 20b auf, die die Verbindungsschicht in vier (räumlich) voneinander getrennte Bereiche mit gleicher Fläche untereilt. Der Draufsicht aus der 2b kann entnommen werden, dass die Unterteilung der Verbindungsschicht anhand der der Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Bereiche 22 erfolgt. Zu erkennen ist, dass acht Bereiche 22 vorgesehen sind, die sich unter Bezug auf die zwei Aussparungen 20b durch zwei zueinander orthogonal verlaufenden Spiegelebenen aufeinander abbilden lassen.
-
Die 3a zeigt eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist zwei Aussparungen 20c jeweils an den Seiten der Verbindungsschicht 18 derart auf, dass die Verbindungsschicht 18 eine rechteckige Fläche aufweist, die im Vergleich zur quadratischen Fläche des darüber angeordneten Substrats (nicht gezeigt) um die Flächen der zwei Aussparungen 20c verkleinert ist. Der Draufsicht aus der 3b kann ferner entnommen werden, dass die Unterteilung der Verbindungsschicht anhand der der Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Bereiche 22 erfolgt. Zu erkennen ist, dass acht Bereiche 22 vorgesehen sind, die sich unter Bezug auf die Aussparungen 20c als Spiegelebenen aufeinander abbilden lassen. Anzumerken ist, dass im vorliegenden Fall eine weitere Unterteilung durch Aussparungen 20c nicht in Betracht gezogen wird, damit angrenzend an die Bereiche 22 und diese umgebend die Verbindungsschicht 18 vorliegt.
-
Die 4a zeigt eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist eine Aussparungen 20b in der Mitte der Verbindungsschicht 18 derart auf, dass die Sinterschicht 18 zwei rechteckige Flächen gleicher Größe aufweist. Diese Flächen sind im Vergleich zur quadratischen Fläche des darüber angeordneten Substrats (nicht gezeigt), um die Fläche der Aussparung 20b verkleinert. Der Draufsicht aus der 4b kann ferner entnommen werden, dass die Unterteilung der Verbindungsschicht anhand der der Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Bereiche 22 erfolgt. Zu erkennen ist, dass entsprechend der 3b acht Bereiche 22 vorgesehen sind, die sich unter Bezug auf die Aussparung 20b als Spiegelebenen aufeinander abbilden lassen. Anzumerken ist, dass im vorliegenden Fall eine weitere Unterteilung durch eine Aussparung 20c nicht in Betracht gezogen wird, damit angrenzend an die Bereiche 22 und diese umgebend die Verbindungsschicht 18 vorliegt.
-
Die 5a zeigt eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist vier Aussparungen 20a an den Ecken der Verbindungsschicht 18 derart auf, dass die Verbindungsschicht 18 eine im Wesentlichen achteckige Fläche mit alternierender langer und kurzer Seitenlänge aufweist. Der Draufsicht aus der 5b kann ferner entnommen werden, dass die Unterteilung der Verbindungsschicht anhand der der Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Bereiche 22 erfolgt. Zu erkennen ist, dass entsprechend der 3b acht Bereiche 22 vorgesehen sind, die sich durch zwei jeweils durch die Seitenmitten der Verbindungsschicht 18 verlaufenden Spiegelebenen jeweils aufeinander abbilden lassen. Es wurde gefunden, dass der hierin beschriebene Fall der sog. Eckaussparung sich problemlos mit weiteren Aussparungen 20b und/oder 20c kombinieren lässt, wie bspw. vorstehend in 1 gezeigt.
-
Die 6a und 6b zeigen eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18 mit Aussparungen entsprechend den 3a und 3b. Zu erkennen ist, dass im vorliegenden Fall lediglich sechs Bereiche 22 vorgesehen sind,
-
Die 7a zeigt eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist eine Aussparung 20a mit einer asymmetrischen Anordnung auf. Im gezeigten Fall verläuft die Aussparung 20a in einem Mittelbereich davon im Wesentlichen auf einer Spiegelebene und in zwei an den Mittelbereich angrenzenden Endbereichen parallel zu der Spiegelebene, aber von dieser in eine Richtung versetzt. Die dadurch erhaltenen zwei voneinander getrennten Flächen der Verbindungsschicht 18 weisen verschiedene Größen auf. Aus der 7b kann entnommen werden, dass in der der beiden Flächen die gleiche Anzahl von Bereichen 22, im vorliegenden Fall insgesamt acht Bereiche 22, vorgesehen sind. Durch die asymmetrische Anordnung kann beispielsweise der Tatsache Rechnung getragen werden, dass auf einem Leistungsmodul angeordnete Halbleiterschaltelemente mit verschiedenen Leistungen beaufschlagt werden sollen. So benötigen Halbleiterschaltelemente mit geringer Leistungsbeaufschlagung und mit einer damit einhergehenden geringeren Wärmeentwicklung weniger Sinterfläche als andere auf demselben Leistungsmodul angeordnete Halbleiterschaltelemente mit höherer Leistungsbeaufschlagung.
-
Die 8a zeigt eine Draufsicht einer auf einer Kühleinrichtung 14 angeordneten Verbindungsschicht 18. Die Verbindungsschicht 18 weist insgesamt drei Aussparungen 20b, 20c mit einer symmetrischen Anordnung auf. Im gezeigten Fall verläuft eine Aussparung 20b im Wesentlichen entlang einer Spiegelebene. Darüber hinaus liegen an Mittelbereichen der jeweiligen Kanten der Verbindungsschicht 18 vier Aussparungen 20b, 20c symmetrisch vor, wobei zwei Aussparungen 20b der vier Aussparungen 20b, 20c mit der Aussparung 20b zusammenfallen, welche im Wesentlichen entlang der Spiegelebene verläuft. Der Draufsicht aus der 8b kann ferner entnommen werden, dass die Unterteilung der Verbindungsschicht 18 anhand der der Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechenden Bereiche 22 erfolgt. Zu erkennen ist, dass entsprechend der 3b acht Bereiche 22 vorgesehen sind, die sich durch zwei jeweils durch die Seitenmitten der Verbindungsschicht 18 verlaufenden Spiegelebenen jeweils aufeinander abbilden lassen.
-
9a und 9b zeigen schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10 in Perspektivansicht. Aus der 9a kann entnommen werden, dass das Leistungsmodul 10 mehrere Halbleiterschaltelemente 12 aufweist, die auf einer Kühleinrichtung 14 aufgebracht sind. Die 9b zeigt, dass die Halbleiterschaltelemente 12 über ein Substrat 16 und dieses wiederum über eine Verbindungsschicht 18 mit der Kühleinrichtung 14 verbunden sind. Die Verbindungsschicht 18 weist hierbei eine oder mehrere Aussparungen (nicht gezeigt) mit einer Anordnung, wie unter Bezug auf die 1 bis 8 beschrieben, auf. Mithin können die einen oder mehreren Aussparungen 20a-c entsprechend einer oder mehrerer der 1 bis 8 angeordnet sein. Aus Gründen der einfacheren Darstellung werden die einen oder mehreren Aussparungen 20a-c nicht gezeigt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Leistungsmodul
- 12
- Halbleiterschaltelement
- 14
- Kühleinrichtung
- 16
- Substrat
- 16'
- erste Seite
- 16"
- zweite Seite
- 16a
- elektrische Leiterschicht
- 16b
- Isolationsschicht
- 16c
- weitere elektrische Leiterschicht
- 18
- Verbindungsschicht
- 20a-c
- Aussparungen
- 22
- Lage der Halbleiterschaltelemente entsprechende Bereiche