Stand der Technik

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul weist wenigstens einen Leistungshalbleiter auf. Das Leistungsmodul weist auch wenigstens ein elektrisch leitfähiges Substrat auf. Der Leistungshalbleiter ist mit dem Substrat insbesondere stoffschlüssig verbunden, wobei das Substrat eine zum Abführen von Wärme ausgebildete Wärmekontaktfläche aufweist. Der Leistungshalbleiter und das Substrat sind wenigstens teilweise in Mold-Masse eingebettet.

Das Leistungsmodul weist eine elektrisch isolierende Isolationsschicht auf, wobei die Isolationsschicht mit der Wärmekontaktfläche wärmeleitend, und insbesondere unmittelbar verbunden ist. Die Isolationsschicht deckt wenigstens einen Teil, oder nur einen Teil der zu dem Substrat benachbarten Mold-Masse ab.

Vorteilhaft kann so eine von dem Halbleiter auf das Substrat beaufschlagte Spannung nicht die Mold-Masse im Bereich des Substrats durchschlagen. Die Isolationsschicht deckt bevorzugt sowohl das Substrat als auch den zu dem Substrat benachbarten Moldkörper, insbesondere einem Teil des Moldkörpers, der ausgebildet ist, einer Wärmesenke gegenüber zu liegen oder an die Wärmesenke anschließen kann, teilweise oder vollständig ab. Weiter vorteilhaft kann durch die Isolationsschicht das Leistungsmodul von der insbesondere durch ein Metall, bevorzugt durch einen Metallblock gebildeten Wärmesenke galvanisch getrennt sein.

Die Isolierschicht ist bevorzugt ausgebildet, eine Spannung zwischen 300 und 1500 Volt, weiter bevorzugt eine Zwischenkreisspannung zwischen 400 und 800 Volt zu isolieren. Vorteilhaft kann das Leistungsmodul so spannungsfest ausgebildet sein. Ein Inverter mit dem Leistungsmodul kann so vorteilhaft spannungsdurchschlagssicher ausgebildet sein.

Die Mold-Masse des Leistungsmoduls ist bevorzugt eine insbesondere partikelgefüllte Epoxidharzmasse. Die Partikel sind bevorzugt Keramikpartikel, insbesondere Alominiumoxidpartikel, Boridpartikel oder Carbidpartikel oder eine Auswahl der vorgenannten Partikel. Vorteilhaft kann die Moldmasse so aufwandsgünstig bereitgestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat keramiklos ausgebildet. Vorteilhaft kann das Substrat so eine gute Wärmeleitfähigkeit ausweisen.

Bevorzugt ist das Substrat als einschichtig, weiter bevorzugt als einschichtige Metallschicht, insbesondere Kupferschicht ausgebildet. Vorteilhaft kann das Substrat so eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmekontaktfläche frei von Mold- Masse. Weiter bevorzugt erstreckt sich die zu dem Substrat benachbarte Mold- Masse in einer Ebene des Substrats, sodass die Mold-Masse mit der Wärmekontaktfläche in einer gemeinsamen Ebene bündig abschließt.

Vorteilhaft kann das Leistungsmodul so von der Wärmekontaktfläche her mit der Isolationsschicht laminiert werden. Das Leistungsmodul lässt sich so vorteilhaft aufwandsgünstig bereitstellen.

Beim Laminieren der Isolationsschicht auf das Leistungsmodul, insbesondere die Wärmekontaktfläche, kann das Leistungsmodul vorteilhaft gemeinsam mit der Isolationsschicht unter Zufuhr von Druck und Wärme verpresst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Isolationsschicht eine Kunststofffolie auf oder ist durch eine Kunststofffolie gebildet. Vorteilhaft kann die Isolationsschicht so aufwandsgünstig mit dem Leistungsmodul - insbesondere mittels Laminieren - verbunden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Isolierschicht Polyimid auf, oder ist aus Polyimid gebildet. Vorteilhaft kann die Isolationsschicht so eine gute Durchschlagfestigkeit, und eine kleine Schichtdicke und so eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bevorzugt ist die Durchschlagfestigkeit der Isolierschicht größer ausgebildet, als die Durchschlagfestigkeit der Moldmasse. Vorteilhaft kann durch die Isolierschicht so eine aufwandsgünstige gute elektrische Isolation der Wärmesenke von den Schaltstreckenanschlüssen der Halbleiterschalter gebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Isolierschicht aus PVF (PVF = Poly- Vinyl-Fluorid), PVB (PVB = Poly-Vinyl-Butyral), oder EVA (EVA = Ethylen-Vinyl- Acetat). gebildet. Vorteilhaft kann die Isolierschicht so wärmebeständig ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsmodul eine elektrisch leitfähige Schicht auf, welche ausgebildet ist, mit einer Metall-Wärmesenke stoffschlüssig verbunden zu werden. Die elektrisch leitfähige Schicht ist mit der Isolationsschicht wärmeleitfähig verbunden. Vorteilhaft kann die elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Metallschicht, so eine Verbindungsschicht zum stoffschlüssigen Verbinden mit einer Wärmesenke ausbilden. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise eine Lotverbindung, oder eine Sinterverbindung.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungsmoduls ist die Metallschicht eine Kupferschicht oder Aluminiumschicht. Vorteilhaft kann das Leistungsmodul so mit der Wärmesenke reflow-verlötet werden, oder versintert werden.

Vorteilhaft kann so eine lötfähige oder sinterfähige Isolierschicht an dem Leistungsmodul - insbesondere ohne keramische Komponenten wie beispielsweise einen AMB- Schaltungsträger (AMB = Active-Metal-Brazed) oder DCB-Schaltungsträger (DCB = Direct-Copper-Bonded) - bereitgestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leistungshalbleiter ein Halbleiterschalter. Der Halbleiterschalter ist beispielsweise ein Transistor, insbesondere ein gehäuseloser Transistor, auch Bare-Die genannt. Der Transistor ist weiter bevorzugt ein Feldeffekt-Transistor, insbesondere MIS-FET, MOS-FET, einen IGBT-Transistor (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) oder einen HEMT-Transistor (HEMT = High-Electron-Mobility-Transistor).

Vorteilhaft kann der Transistor so bauraumsparend und aufwandsgünstig Teil des Leistungsmoduls sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsmodul wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke auf, wobei die Halbleiterschalter-Halbbrücke zwei Halbleiterschalter, insbesondere einen High-Side-Halbleiterschalter und einen Low-Side-Halbleiterschalter aufweist. Vorteilhaft kann das Leistungsmodul so eine Kommutierzelle für einen Inverter ausbilden, welche aufwandsgünstig bereitgestellt werden kann, und welche aufwandsgünstig - insbesondere durch Reflow-Verlöten oder durch Versintern, mit einer Wärmesenke verbunden werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein insbesondere einstückiges Metallblech, insbesondere Kupferblech. Das Metallblech, insbesondere Kupferblech, ist beispielsweise durch ein Stanzgitter, auch Lead- Frame genannt, gebildet. Vorteilhaft können das Leistungsmodul, und so die elektrischen Verbindungen innerhalb des Mold-Körpers des Leistungsmoduls, aufwandsgünstig bereitgestellt sein. Weiter vorteilhaft kann das Substrat so durch nur eine Schicht eine Haltefunktion und eine Verdrahtungsebene für die Leistungshalbleiter bilden. Das Substrat und der Leistungshalbleiter werden von Außen durch den diese einbettenden Moldkörper gestützt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leistungshalbleiter mit einem elektrischen Schaltstreckenanschluss mit dem Substrat elektrisch leitfähig verbunden. Bevorzugt ist der Leistungshalbleiter mit dem Substrat lotverbunden oder sinterverbunden. Vorteilhaft kann so zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Substrat sowohl ein guter elektrischer Anschluss an den Leistungshalbleiter, als auch ein guter Wärmeübergang für von dem Leistungshalbleiter erzeugte Verlustwärme gebildet sein, welche von dem Leistungshalbleiter über das Substrat, und weiter über die elektrisch isolierende Isolationsschicht, und die Metallschicht an die Wärmesenke geleitet werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsmodul eine Wärmesenke auf, wobei die mit der Isolationsschicht - insbesondere mittels Laminieren oder Verpressen - verbundene Metallschicht mit der Wärmesenke stoffschlüssig verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise durch eine Sinterschicht, eine Lotschicht, oder durch einen wärmeleitfähigen Klebstoff, und so eine Klebstoffschicht, gebildet. Der wärmeleitfähige Klebstoff weist beispielsweise zusätzlich zu einem Matrixmaterial, insbesondere einem Harz, wärmeleitfähige Partikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, oder Silberpartikel auf.

Die Erfindung betrifft auch eine Kontaktanordnung mit einem Leistungsmodul der vorbeschriebenen Art. Die Kontaktanordnung weist eine elektrisch leitfähige Wärmesenke, insbesondere Metall-Wärmesenke auf, die mit dem Leistungsmodul wärmeleitfähig verbunden ist, wobei zwischen der Wärmekontaktfläche des Leistungsmoduls und der Wärmesenke die Isolierschicht angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Elektrofahrzeug mit dem Leistungsmodul der vorbeschriebenen Art. Das Elektrofahrzeug weist einen Inverter auf, der für jede Phase wenigstens ein Leistungsmodul auf, wobei das Leistungsmodul eine Kommutierzelle aufweist.

Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kontaktanordnung, bei der ein Mold-Modul mit einem in dieses eingebetteten Leistungshalbleiter eine insbesondere dünne Kunststoffisolierschicht aufweist, wobei die Kunststoff- Isolierschicht zum Verlöten oder Versintern mit einer Wärmesenke ausgebildet ist und dazu eine mit der Kunststoffschicht laminierte Metallschicht aufweist.

Figur 1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine Kontaktanordnung 1. Die Kontaktanordnung 1 weist ein Leistungsmodul 2 auf, eine Leiterplatte 3, einen Schaltungsträger 4, und eine Wärmesenke 5. Das Leistungsmodul 2, die Leiterplatte 3, und der Schaltungsträger 4, und die Wärmesenke 5 sind jeweils aufeinandergestapelt angeordnet, und mittels eines Lotmittels und/oder Sintermittels miteinander stoffschlüssig verbunden. Die Wärmesenke ist in diesem Ausführungsbeispiel zum Fluidführen ausgebildet, und weist dazu Fluidkanäle auf, von denen ein Fluidkanal 26 beispielhaft bezeichnet ist. Die Wärmesenke 5 ist beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet.

Das Leistungsmodul 2 weist einen Leistungshalbleiter 6, in diesem Ausführungsbeispiel einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekttransistor, auf. Der Leistungshalbleiter 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen gehäuselosen Halbleiter, auch Bare-Die genannt, gebildet.

Der Leistungshalbleiter 6, insbesondere ein Schaltstreckenanschluss des Leistungshalbleiters 6, ist mittels eines Lot- oder Sintermittels 17 mit einer ein Substrat bildenden, elektrisch leitfähigen Schicht 7 stoffschlüssig verbunden. Die elektrisch leitfähige Schicht 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil des Leistungsmoduls 2, und ist beispielsweise durch ein Blechstück, auch Stanzgitter oder Lead-Frame genannt, gebildet. Das Substrat 7 ist so keramiklos und/oder frei von faserverstärkten Epoxidharzschichten ausgebildet.

Ein weiterer Schaltstreckenanschluss des Leistungshalbleiters 6, insbesondere ein Source-Anschluss, ist mittels einer elektrisch leitfähigen Schicht 8, insbesondere Stanzgitter oder Lead-Frame, mittels eines Lot- oder Sintermittels 17 stoffschlüssig verbunden. Der Leistungshalbleiter 6, insbesondere die Schaltstrecke, kann so mittels der elektrisch leitfähigen Schichten 7 und 8 elektrisch kontaktiert werden, und ein Schaltstrom über die elektrisch leitfähigen Schichten 7 und 8 dem Leistungshalbleiter 6 zugeführt werden. Der Leistungshalbleiter 6 weist auch einen Steueranschluss auf, welcher mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 10, insbesondere Metallstück, mittels Lot- oder Sintermittels 17 stoffschlüssig und elektrisch leitfähig verbunden ist. Der Steueranschluss, insbesondere Gate-Anschluss, kann so mittels des Metallstücks 10 elektrisch kontaktiert werden.

Die elektrisch leitfähige Schicht 7 ist ausgebildet, Verlustwärme von dem Leistungshalbleiter 6 abzuführen, und an die Wärmesenke 5 zu leiten. Die Wärmesenke 5 ist dazu mit der elektrisch leitfähigen Schicht 7 - in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch isoliert - wärmeleitfähig verbunden.

Das Leistungsmodul 2 weist auch eine elektrisch leitfähige Metallschicht 9, insbesondere Kupferschicht oder Kupferblock auf, welche mit der elektrisch leitfähigen Schicht 7, welcher den Schaltstreckstreckenanschluss, insbesondere Drain-Anschluss des Leistungshalbleiters 6, kontaktiert, elektrisch leitfähig verbunden ist, und den Schaltstrom zu einer von der elektrisch leitfähigen Schicht 7 abgewandten Seite des Leistungsmoduls 2 führt. Die elektrisch leitfähigen Schichten 8, 9 und 10, weisen jeweils zu der von der elektrisch leitfähigen Schicht 7 entgegengesetzten Seite des Leistungsmoduls 2. Die elektrisch leitfähigen Schichten 8, 9 und 10 bilden so jeweils einen Spacer und einen das Leistungsmodul 2 nach außen kontaktierenden elektrischen Anschluss für das Leistungsmodul 2.

Das Leistungsmodul 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als überwiegend flaches Mold-Modul ausgebildet. Dazu ist der Leistungshalbleiter 6, die zur Wärmesenke 5 weisende elektrisch leitfähige Schicht 7, und die von der Wärmesenke 5 abweisenden elektrisch leitfähigen Schichten 8 und 10, und der Metallblock 9, in eine Mold-Masse 11 eingebettet. Die Mold-Masse 11 bildet so einen Mold- Körper, welcher ausgebildet ist, die in den Mold-Körper eingebetteten Komponenten elektrisch zu isolieren, und auch Verlustwärme von den eingebetteten Komponenten aufzunehmen.

Das Leistungsmodul 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch eine elektrisch isolierende Schicht, in diesem Ausführungsbeispiel eine Isolierfolie 14, auf. Die Isolierfolie 14 umfasst eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht 15, insbesondere Polyimidschicht, oder PVF-Schicht (PVF = Poly-Vinyl-Fluorid), PVB-Schicht (PVB = Poly-Vinyl-Butyral), oder EVA-Schicht (EVA = Ethylen-Vinyl- Acetat). Die Kunststoffschicht 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer wärmeleitfähigen und zum Verlöten oder Versintern ausgebildeten Schicht 16, insbesondere Kupferschicht, flächig verbunden. Die Kupferschicht 16 und die Kunststoffschicht 15 sind beispielsweise mittels Laminieren miteinander flächenverbunden, sodass die Isolierfolie 14 zum Verbinden mit dem Mold- Körper 11 des Leistungsmoduls 2 von einer Rolle abgerollt werden kann, und auf dem Mold-Körper 11, und auf die nach außen weisende elektrisch leitfähige Schicht 7, insbesondere eine Wärmekontaktfläche 22 der elektrisch leitfähigen Schicht ?, auflaminiert werden kann.

Die Isolierfolie 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf den Mold-Körper 11 und auf die elektrisch leitfähige Schicht 7 auflaminiert, und überdeckt einen Flächenbereich 20 des Leistungsmoduls 2, welcher zur Wärmesenke 5 hinweist. Die elektrisch leitfähige Schicht 7 weist einen Flächenbereich 21 auf, welcher die Wärmekontaktfläche 22 bildet. Die Isolierfolie 14 überdeckt so auch einen Mold- Flächenbereich 23, welcher die Wärmekontaktfläche 22, und so den Flächenbereich 21 , umrahmt. So kann vorteilhaft zwischen dem Leistungsmodul 2, insbesondere der elektrisch leitfähigen Schicht 7, und der Wärmesenke 5 eine erhöhte Durchschlagfestigkeit gebildet sein, insoweit die Isolierfolie 14, zuvor auch Isolationsschicht genannt, den Flächenbereich 21 der Wärmekontaktfläche 22, die Mold-Masse 11 auf dem die Wärmekontaktfläche 22 umgebenden Flächenbereich 23 überdeckend, gegen ein Durchschlagen einer Kurzschlussspannung versperrt.

Die Leiterplatte 3 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch isolierende Schichten, und elektrisch leitfähige Schichten, wobei die elektrisch isolierenden Schichten jeweils durch faserverstärktes Harz, insbesondere Epoxidharz, gebildet sind, um die elektrisch leitfähigen Schichten jeweils durch eine Kupferschicht gebildet sind. Die Leiterplatte 3 ist ausgebildet, zwischen dem Schaltungsträger 4, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als Treiber für das Leistungsmodul 2 ausgebildet ist, und dem Leistungsmodul 2, ein elektrisches Verbindungsglied zu bilden, wobei die Leiterplatte 3 in diesem Ausführungsbeispiel wärmeleitfähige Via-Verbindungen aufweist, welche zur Wärmespreizung der von dem Source-Anschluss des Leistungshalbleiters 6 mittels der elektrisch leitfähigen Schicht an die Leiterplatte 3 abgeführten Verlustwärme ausgebildet ist.

Ein wärmeleitfähiges Via 12 im Bereich des Source-Anschlusses, und so im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 8 des Leistungshalbleiters 6, und ein wärmeleitfähiges Via 13 im Bereich des Metallblocks 9, sind beispielhaft bezeichnet.

Der Schaltungsträger 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel elektronische Bauteile auf, von denen eine Verarbeitungseinheit 18 beispielhaft bezeichnet ist. Die Verarbeitungseinheit 18 ist beispielsweise durch einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit) gebildet.

Das Leistungsmodul 2, insbesondere der Mold-Körper 11 des Leistungsmoduls 2, weist in diesem Ausführungsbeispiel einen an den Mold-Körper 11 angeformten Isoliersteg 19 auf, welcher ausgebildet ist, einen Niedervolt-Bereich, insbesondere den Gate-Anschluss des Leistungsmoduls 2, und die von dem Gate-Anschluss in der Leiterplatte 3 geführten Verbindungsleitungen, von dem Metallblock 9, und den in der Leiterplatte 3 geführten Hochvolt- Verbindungsleitungen zu trennen. Der Steg 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus derselben Mold-Masse gebildet wie der Mold-Körper 11 , oder einer zu dem Mold-Körper 11 verschiedenen Mold-Masse.

Die Leiterplatte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Aussparung 24 auf, in die der Steg 19 hineinragt.

Der Schaltungsträger 4 ist beispielsweise durch einen keramischen Schaltungsträger, insbesondere einen LTCC-Schaltungsträger (LTCC = Low- Temperature-Cofired-Ceramic) oder HTCC-Schaltungsträger (HTCC = High- Temperature-Cofired-Ceramics) gebildet, oder durch eine Leiterplatte, insbesondere FR4-Leiterplatte. Die Leiterplatte 3 ist beispielsweise durch eine insbesondere Faserverstärkte Epoxidharz-Leiterplatte, beispielsweise eine FR4- Leiterplatte, gebildet. Die Leiterplatte 3 kann in einer anderen Ausführungsform durch einen keramischen Schaltungsträger, insbesondere LTCC- Schaltungsträger oder HTCC-Schaltungsträger gebildet sein.

Figur 1 zeigt auch ein elektrisches Feld 25, welches zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 7, und der Wärmesenke 5 ausgebildet sein kann. Die Wärmesenke 5 ist beispielsweise durch einen Metallblock, insbesondere Aluminiumblock, oder Kupferblock gebildet. Die Wärmesenke 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Lot- oder Sintermittels 17 mit der Isolierfolie 14, und dort mit der wärmeleitfähigen Metallschicht 16, insbesondere Kupferschicht der Isolierfolie 14 verbunden. Das elektrische Feld 25 umspannt so den Teil der Isolierfolie 14, welcher über die Wärmekontaktfläche 22 der elektrisch leitfähigen Schicht 7 hinausragt, und der auf dem Flächenbereich 23 den Mold-Körper 11 bedeckt.

Figur 1 zeigt auch - gestrichelt dargestellt - eine Variante des Leistungsmoduls 2, bei der die Isolierschicht 15 der Isolierfolie - insbesondere ohne die elektrisch leitfähige Schicht 16 - eine Stirnseite des Leistungsmoduls 2, und so des Mold- Körpers 11, bedeckt und so eine Art Wanne bildet, in der der Mold-Körper 11 zusammen mit den von dem Mold-Körper 11 eingebetteten Komponenten, insbesondere der elektrisch leitfähigen Schicht 7, den Leistungshalbleiter 8, und die elektrisch leitfähigen Schichten 8, 10 und den Metallblock 11 umschließt.

Mittels der so auf die Stirnseite umgeschlagenen Isolierschicht 15 der Isolierfolie 14 kann so eine noch weiter verbesserte Durchschlagfestigkeit des Leistungsmoduls zur Wärmesenke 5 hin ausgebildet sein, insoweit die Durchschlagfestigkeit der Isolierfolie besser ausgebildet ist, als die Durchschlagfestigkeit der Moldmasse.