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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruches.
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Insbesondere
für automobile
Anwendungen werden Leistungsschalter gesucht, die die hohen Ströme, die
beispielsweise beim Anlassen eines Motors fließen, sicher auf möglichst
kleinem Raum schalten können.
Bisher werden dazu Leistungsschalter benutzt, die auf einer Basisplatte
oder einer Wärmesenke über ein
zwischengesetztes Substrat befestigt sind. Interne Verbindungen
werden mit sogenannten Bonddrähten
realisiert. Ein Plastikgehäuse
beherbergt Verbindungen, mit denen das Modul mit außerhalb
liegenden Leitungen in Verbindung tritt.
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Der
eigentliche Halbleiterbaustein ist dabei von einem Silikongel bedeckt,
um die empfindlichen Halbleiterschaltungen zusätzlich zu schützen und
intern die elektrische Isolation sicherzustellen.
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Bei
diesem Vorgehen nach dem Stand der Technik ist insbesondere sicherzustellen,
daß die
oft erheblich erzeugte Verlustwärme
gut abgeführt
werden kann und andererseits die Schalter vor den oft rauhen Umweltbedingungen
ebenso geschützt
werden, wie vor einem potentiell den Benutzer gefährdenden
Eingriff, da sowohl Ströme
wie Spannungen sehr hoch sein können.
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Üblicherweise
werden die Substrate mit einem DCB-Verfahren (direct copper bonding) auf
einer Kupferplatte oder im IMS-Verfahren (insulated metal substrate)
auf einem isolierten Substrat hergestellt. Über diese Substrate wird der
thermische Kontakt mit der Umgebung hergestellt, so daß die Wärme abgeleitet
werden kann.
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Da
beide Verfahren dies über
zwischenliegende elektrische Isolatoren bewerkstelligen müssen, die
mit einem leitenden Material lediglich in Wärmekontakt stehen, ergeben
sich mehrere Probleme. Beim DCB-Substrat, bei dem zwei Kupferschichten durch
eine keramische Schicht getrennt sind, wirkt die keramische Schicht
als elektrischer Isolator, soll aber gleichzeitig thermisch leitend
sein, wobei die elektrischen Schaltkreise auf der oberen Kupferschicht
realisiert sind.
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Als
Stand der Technik sind die
DE
101 00 620 A1 zu nennen, die zwar ein Leistungsmodul zeigt,
das miniaturisiert ist; die
US
4 879 630 A , die ein wärmeableitendes
Gehäuse
zeigt; und die
DE 199
00 603 A1 , die einen Modulaufbau bei einem Leistungshalbleiter
zeigt.
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Eine
Verlustwärme-Ableitung
von den Leistungsmodulen des Standes der Technik ist bei all diesen
Anordnungen mit hohem apparativen Aufwand verbunden.
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Bei
IMS ist statt der Keramik eine Polymer-Glasfaserschicht zwischen
zwei aufgebrachten Metallschichten vorhanden. Die Metallisierung
der Leitungsschicht muß dabei
Lötungen
zulassen und gleichzeitig auch das Bonden von Leitungen, um die Halbleitereinrichtungen
darauf befestigen zu können.
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Beide
genannten Substrate werden auf Basisplatten oder Wärmesenken
in Gehäusen
befestigt. Bei größeren Spannungen
und Strömen
werden diese Gehäuse
mehr als handtellergroß und
weisen eine Vielzahl von mechanischen Teilen auf, die die Funktionalität einschränken.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen möglichst
kleinen Leistungsschalter zu schaffen, der dennoch auch bei hohen
Strömen
seine Wärme
gut abführen
kann.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Hauptanspruches
gelöst.
Insbesondere ist vorteilhaft, daß über die zwei massiven Leiterplatten
die Wärme
in das Kabel, und damit über
einen größeren Bereich
in die die metallischen Leiter umgebenden Isolationswerkstoffe abgegeben
werden kann.
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Die
Halbleiter, bestehend aus Silizium, werden direkt ohne elektrisch
isolierende Substrate auf eine der beiden massiven Kupferleiterbahnen
montiert, vorzugsweise gelötet.
Der thermische Widerstand zwischen Halbleiter und Kupferleiterbahn
wird durch diese Direktmontage nun nur noch durch die Lötschicht
gebildet und drastisch reduziert. Die Kupferleiterbahn übernimmt
damit auch die Funktion der Wärmespreizung
und der primären
Wärmesenke.
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Durch
den großen
Leitungsquerschnitt kann ein sehr großer Strom übertragen werden, was bei herkömmlichen
DCB- oder IMS-Techniken nicht möglich
wäre. Dadurch,
daß eine
dielektrische Schicht, die üblicherweise
zwischen der Halbleitereinrichtung und dem Bodenabschnitt des Leistungsmoduls
liegt, nun zwischen zwei die Wärme
abführende
metallische Platten gelegt ist, werden wesentlich bessere thermische
Verhältnisse
als bei der DCB oder IMS-Technologie
erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann die dielektrische Schicht (3) zwischen
die zwei Kupferteile laminiert werden, wobei bei erhöhter Temperatur
entsprechend hoher Druck aufgebracht wird. Die typische Dicke einer
solchen dielektrischen Schicht ist 75 bis 200 μm. Der thermische Widerstand des
Dielektrikums in diesem Ausführungsbeispiel wird
jedoch nicht zum gemessenen Thermalwiderstand hinzugezählt, da
das dünne
Dielektrikum die Hitze aus dem unteren Kupferteil an das obere Kupferteil
weitergibt und dadurch die Hitze gleichmäßiger über das Modul verteilt.
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Auf
diese Weise werden sowohl oberes wie unteres Kupferteil als Wärmesenken
fungieren können.
Das obere Kupferteil ist dabei Teil des Komponententrägers und
gleichzeitig Teil des elektrischen Schaltkreises, das die Bonddrähte hält und als
eine der beiden Hauptstromleitungen des Leistungsmoduls eingesetzt
wird. Ein Plastikteil, das als Rahmen auf das obere Kupferteil aufgesetzt
wird, dient für eine
Anzahl von Stifte als Befestigung und ergibt einen Teil des Modulgehäuses.
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Es
kann auch ein im Potential von der übrigen Schaltung getrennter
Bereich als ein Niederspannungsmodul gemeinsam auf einer der Kühlplatten
realisiert werden, wobei dann eine elektrisch isolierende Leiterplatte
(DCB-Substrat) aus thermischen Gründen für diesen potentialmäßig getrennten
Bereich vorzuziehen ist. Diese erweiterte Funktionalität kann zum
Beispiel für
einen Spannungsumsetzer von 12 auf 24 Volt oder ähnliches genutzt werden.
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Die
in einem solchen Modul eingesetzten Baulemente müssen ebenfalls gekühlt werden,
besitzen jedoch eine komplexere Verdrahtung als einfach parallel
geschaltete Bauelemente. Zusätzliche
Kontaktpins zur Kontaktierung der Außenwelt (eine übliche Epoxidharzleiterplatte
mit Steuerelektronik) trägt zum
Beispiel ein erweiterter Kunststoffrahmen.
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Ein
bevorzugt mit einem Deckel ein Gehäuse bildender Kunststoffrahmen
wird dabei vorzugsweise mit an der Bodenseite vorgesehenen Vorsprüngen versehen,
die mit den Ecklöchern
der oberen und unteren Kupferteile übereinstimmen und durch diese und
das Dielektrikum, das ebenfalls solche Ausnehmungen aufweist, hindurchgeführt werden.
Diese Vorsprünge
stellen sicher, daß optional
zusätzlich vorzusehende
Schrauben zur Verbindung der beiden Leiterplatten und zur Halterung
des Gehäuses
keinen Kurzschluß dadurch
verursachen, daß sie
sowohl die oberen wie die unteren Kupferleiterplatten berühren.
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Zur
Erhöhung
der elektrisch sicheren Halterung einer Schraube können noch
Metallhülsen
in diese Vorsprünge
eingearbeitet werden, die nach außen hin isoliert sind, so daß die die
mechanisch teilweise scharfen Gewindezüge der Schrauben an einem Durchtrennen
des Plastik gehindert sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus bevorzugten
Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische, perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
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2 die
untere Leiterplatte,
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3 das
Dielektrikum,
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4 die
obere Leiterplatte,
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5 den
Plastikrahmen mit Stiften,
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6 einen
Schnitt durch einen Teil des Moduls,
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7 das
Modul ohne Deckel,
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8 das
Modul mit Deckel,
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9 eine
weitere Ausführung
mit einem integrierten Niederspannungsmodul, und
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10 eine
Ausführung
mit einer Zwischenschicht.
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Die 1 zeigt
dabei eine obere Kupferplatte, wobei die große Ausnehmung am Ende der Zunge zur
Befestigung eines starken Stromkabels oder einer entsprechenden
Leiterzunge dient. Aufgrund des großen Querschnittes der Kupferplatte
wird ein wesentlicher Teil der Hitze durch die Kupferplatte abgeleitet
(vom Ort der Entstehung abtransportiert) und vom sich langsam über größere Strecken
erwärmenden
Kabel aufgenommen, wodurch das Kabel oder dergleichen als Wärmesenke
fungieren wird.
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Da
der Leistungsschalter beispielsweise so ausgelegt werden kann, daß er sich
während
des gesamten Durchlaßbetriebs,
bei einer Anwendung in einer Wegfahrsperre also bei Betrieb des
Fahrzeugs, erwärmt,
ist es wichtig, auch über
längere
Zeiträume eine
Wärmesenke
bieten zu können.
Genau das kann ein langes gut wärmeleitendes
Kabel aus Kupfer auch bei verstecktem (isolierten) Einbau in einem Kraftfahrzeug
sein.
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Die
Eckbohrungen 28 in der oberen Kupferplatte 10 in
der 2 dienen zur Befestigung auf einem Chassis oder
einer weiteren Wärmesenke,
wobei weitere Löcher
zur Ausrichtung der Teile während des
Laminierprozesses vorgesehen werden können. Die rechteckigen Ausstanzungen 12 sind
gegenüber denen
(13) des darunter zu liegen kommenden Dielektrikums 18 (3)
ein wenig größer, so
daß die Ränder der
Ausstanzungen 12 gegenüber
der Barunterliegenden Kupferplatte 14 (4)
durch eine horizontale Überlappung
des Dielektrikums 18 zusätzlich beabstandet sind.
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Dies
verringert die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den beiden Kupferteilen.
Das Dielektrikum wiederum ist mit Ausnehmungen versehen, die ein
Ausrichten während
des Laminierprozesses erlauben.
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In
der 5 wird der Plastikrahmen 26 mit Stiften 24 dargestellt,
im vorliegenden Fall ein sog. 'insert-moulded bondable
frame'. Die metallischen, nach
oben ragenden Stifte dienen zur elektrischen Verbindung des Moduls
mit der Außenwelt.
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In
der 6 wird im Schnitt dargestellt, wie von diesen
metallischen Stiften 24 Bonddrähte 22 auf die Leistungshalbleiter über etwas
längere
Drähte
als die Leistungsbonddrähte 20 elektrisch
verbunden werden.
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In
der 7 wird eine der 1 entsprechende
Darstellung ohne und in 8 mit einem ggf. nach einem
vorherigen Vergießen
aufgesetzten Deckel 42 auf den Rahmen 26 dargestellt.
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In 9 schließlich ist
ein im Potential von der übrigen
Schaltung getrenntes Niederspannungsmodul 40 gemeinsam
mit der Verschaltung der Leistungshalbleiter des Leistungsschalters
auf einer der Kühlplatten
(10; 14) realisiert worden. Es ist auf einem elektrisch
isolierenden DCB-Substrat, das in diesem hinzugefügten Bereich
vorhanden ist, aufgebracht.
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Die
in einem solchen Modul eingesetzten Baulemente 34 werden
nun ebenfalls gekühlt,
wobei zusätzliche
Kontaktpins 36 zur Kontaktierung der Außenwelt in einem erweiterter
Kunststoffrahmen 26 vorgesehen sind.
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Gegebenenfalls
kann noch eine metallische Zwischenschicht unter Bewahrung der erfindungsgemäßen Vorteile
der Direktmontage eingesetzt werden, die beispielsweise aus einer
Kupfer-Wolfram-Legierung besteht und damit eine thermische Leitfähigkeit
von ca. 230 W/mK gegenüber
der thermischen Leitfähigkeit
von nur ca. 25 W/mK einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht
aus Aluminiumoxid (handelsübliche
keramische Leiterplatte) aufweist.
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Das
Leistungsmodul wird durch den Betrieb und durch externe Temperaturwechsel
schwankenden Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die verlustleitungsbehafteten
Halbleiter durchlaufen im Betrieb die größeren Temperaturdifferenzen.
Der Schichtaufbau, bestehend aus Halbleiter und Kupferplatte (Kupferleiterbahn)
verbunden durch eine Lötschicht,
besitzt jeweils unterschiedliche thermische Deh nungen (Silizium
ca. 3,5 ppm/K, Lot je nach Legierung ca. 20 ppm/K und die Kupferplatte
ca. 18 ppm/K). Bei Temperaturwechsel entstehenden mechanische Spannungen
zwischen den Schichten, die durch Kriechen des Lotes ausgeglichen
werden, jedoch nie komplett wieder sich zurückbilden, relaxieren. Im Extremfall können die
mechanischen Spannungen den Halbleiter zerstören.
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Dies
läßt sich
vermeiden, indem durch die metallische Zwischenschicht ein Ausgleich
eingeführt
wird, wobei diese Schicht über
eine thermische Dehnung von ca. 6–12 ppm/k verfügt, also
zwischen den thermischen Dehnungswerten von Silizium und Kupfer
liegt. Zusätzlich
soll die Ausgleichsschicht gemäß den vorangehenden
Erläuterungen
nicht elektrisch isolierend wirken, im Gegenteil wird eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit
vorausgesetzt. Diese Forderung erfüllen z. B. die Metalle Molybdän, Wolfram
bzw. Legierungen aus Kupfer mit Wolfram oder Molybdän.
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Die
in der 10 dargestellte Zwischenschicht 44 zwischen
Halbleiter 46 und Kupferplatte 48 durch zwei Lotschichten 50 eingesetzt
gewährleistet
einen solchen spannungsarmen Schichtaufbau. Hierbei wird der Halbleiter
auf die Ausgleichsschicht gelötet
und die Ausgleichsschicht auf die Kupferplatte. Für eine Minderung
der therme-mechanischen
Spannung ist es ausreichend, ausschließlich oder jedem Halbleiter
eine plattenartige Zwischenschicht in der Größe der Halbleiterdimension
und wenigstens 10% Vergrößerung zu
plazieren. Die Vergrößerung der
Zwischenschicht gegenüber
dem Halbleiter bewirkt, daß die
Lotschicht unter dem Halbleiter nach dem Lötvorgang einen Meniskus ausformen
kann, wobei die Dicke der Zwischenschicht zwischen 0,1 mm bis 1
mm betragen kann.