Befestigung von Leistungshalbleiterbauelementen auf gekrümm ten Oberflächen

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen Stromrichter, wobei die Anordnung mindestens ein mit Leistungshalbleiter bauelementen bestücktes Leistungsmodul und einen Kühler auf weist. Zugehörige Herstellungsverfahren, sowie ein Stromrich ter mit einer derartigen Anordnung und ein Fahrzeug mit einem Stromrichter werden ebenfalls angegeben.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, Leistungsmodule mit Leistungshalbleiterbau elementen als Flachbaugruppe mit einem Kühler mit planen Kühloberflächen zu verbinden. Liegt der Kühler jedoch als ge bogene Anordnung vor (z.B. als Rundkühler) bzw. soll ein be reits bestehendes Strukturbauelement als Kühlfläche genutzt werden, sind hohe Aufwände erforderlich, die Leistungselekt ronik anzubinden. Beispielsweise müssen Fräsungen im Kühler vorgenommen oder größere Mengen an Wärmeleitpaste als Aus gleichmedium eingebracht werden oder bestehende dünnwandige Strukturbauelemente aufgedickt werden. Letzteres wirkt sich zudem negativ auf das Systemgewicht aus.

Ist dies nicht möglich oder ist das Platzangebot limitiert (z.B. bei Spezialaufbauten im Motorenbereich), so ist es von Vorteil, wenn das Leistungsmodul (inklusive Substrat und Bo denplatte) im gebogenen Zustand aufgebaut werden kann. Hier bei kann neben dem Platzangebot auch eine effizientere Küh lung stattfinden, was direkt mit der Lebensdauer oder Perfor- manz der Halbleiterchips und damit des gesamten Power Moduls einhergeht . Bekannt sind Leistungselektronik-Varianten, die sich mit ei ner dreidimensionalen Anordnung der Schaltung oder der Module beschäftigen. Diese haben jedoch alle gemeinsam, dass das Leistungsmodul plan, d.h. nicht gebogen, angebunden wird. Ne ben diesen Varianten gibt es weitere Möglichkeiten, eine dreidimensionale Anordnung zu erreichen.

1. Flexible Leiterplatte

Flexible Leiterplatten haben sich in den letzten Jahren zu nehmend als Schaltungsträger etabliert, da kompakte und kom plexe Aufbauten realisiert werden können. Der Schaltungsträ- ger besteht meist aus Epoxid, mit einer Dicke zwischen

25 bis 100 gm und ist ein- oder doppelseitig mit Walzkupfer mit einer Dicke zwischen 18 und 70 gm mittels eines Klebers (z.B. Acryl) oder direkt mittels Wärmeverpressung verbunden. Durch die geringen Dicken und der hohen Rissfestigkeit von Epoxid kann die Leiterplatte somit mit gekrümmten Oberflä chen, z.B. eines gebogenen Kühlers, verbunden werden. Nach teilig ist jedoch die limitierte Cu-Leiterbahndicke, die für leistungselektronische Anwendungen nur bedingt geeignet ist. Zudem ist Epoxid bzw. Polyimid ein schlechter Wärmeleiter und daher nur eingeschränkt als Isolator für hohe Leistungsdich ten geeignet.

2. MID (Mechatronic Integrated Devices)

Hierbei wird ein katalysatorgefülltes Polymer an den späteren Leiterbahnstellen mittels eines Lasers (z.B. CO2-Laser) auf geschmolzen und die Konzentration des Katalysators, z.B. Pal ladium, erhöht. Ein nachfolgender stromloser Galvanikschritt kann am Katalysator anwachsen und verstärkt somit die Leiter bahnen. Durch den Polymerspritzgussprozess ergibt sich ein hoher Freiheitsgrad an Geometrien, wie z.B. gebogene Flächen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein langsames Wachstum der Leiterbahnen vorhanden ist und damit lediglich geringe Schichtdicken hergestellt werden können. Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die es erlaubt, zuverlässig Leistungshalbleiterbauelemente auf ge krümmten Oberflächen, insbesondre von konvex gekrümmten A3P, Kühlern, zu befestigen.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, eine neuartige Lösung zur Realisierung einer gebogenen Leistungselektronik anzuge ben, die einerseits platzsparend aufgebaut werden kann und andererseits eine hohe Entwärmung sicherstellt.

Die Erfindung besteht zusammengefasst darin, die elektrisch leitfähigen Komponenten oder das organische/keramisches Sub strat für den Schaltungsträger mittels Druckverpressung auf eine gekrümmte Oberfläche aufzubringen und unter Druck mit der Oberfläche zu verbinden. Der Aufbringvorgang kann mit be kannten Druckpresstechniken durchgeführt werden (hydrauli sches Druckpressen mit Ausgleichsmaterialien, isostatisches Druckpressen, etc.) . Hierbei ist es von Vorteil, das Verbin dungsmaterial (Kleber, Lot, etc.) noch unter Druck aushärten bzw. erstarren zu lassen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Spannung im Kleber oder Lot reduziert ist und eine lang lebige Verbindung geschaffen wird.

Die elektrisch leitfähigen Komponenten bestehen dabei ideal erweise aus weichgeglühtem Kupfer oder Aluminium oder aus weichen Legierungen, die eine Umformung durch eine Druckpres sung zulassen. Werden ganze Substrate gebogen, so sollten diese vorzugsweise aus einer bruchfesten Keramik bestehen (wie z.B. S1 ₃ N ₄ ) . Die Keramik kann sowohl als DBC (Direct Bonded Copper) oder als AMB (Active Metal Brazing) realisiert sein. Die Keramikdicke sollte eine Dicke von 50 mpi bis 2 mm aufweisen, vorzugsweise < 300 gm, um einen Bruch zu vermeiden und einen niedrigen thermischen Widerstand zu ermöglichen.

Die Schaltungsmetallisierung besteht üblicherweise aus Kupfer (auch andere Metalle wie Al oder Mo sind möglich) und besitzt eine Dicke von etwa 10 gm bis 2 mm.

Neben den keramischen Materialien sind generell auch organi sche Materialien denkbar, wie z.B. mit keramischen Partikeln gefüllte Epoxy, Polyimid, Polyamid, PEEK, etc. Das Verbin dungsmaterial kann sowohl organischer Natur (Epoxy, Polyamid, Polyimid, PEEK, etc.), keramischer Natur (keramische Kleber, etc.) als auch metallischer Natur (Lote, Sinterkleber, Sin terpasten, etc.) sein. Auch Mischformen sind denkbar (orga nisch + keramisch) .

Die Leistungshalbleiterbauelemente werden idealerweise im selben Prozessschritt mit aufgebracht, so dass diese eben falls im gebogenen Zustand verklebt oder verlötet werden. Hiermit ist sichergestellt, dass die Spannung reduziert ist und eine langlebige Verbindung generiert wird. Um die Druck kräfte homogen auf das Substrat zu übertragen, eignet sich neben Drahtbond-Silikonverguss-basierten Leistungsmodulen (bzw. Drahtbond-Expoxhartverguss ) vor allem planare Aufbau- und Verbindungstechnik (wie z.B. A3P, SiPLIT, Skin, Kappen technologie, etc.) . dadurch wird die Gefahr einer Vorschädi gung oder Zerstörung (wie z.B. ein Drahtbruch, Chipbrüche, etc.) deutlich reduziert.

Werden organische Substrate verwendet (Isolation bestehend aus Organik) , so kann eine zuvor eingebrachte Krümmung die oben beschriebene Drucklaminierung erleichtern. Hier besteht ein weiterer Aspekt der Erfindung darin, dass bei einem orga nisch basierten Substrat die spätere abzuformende Oberfläche bei der Herstellung bereits mit eingebracht wird oder nach folgend subtraktiv erzeugt wird (z.B. mittels Schleifen, La serablation, etc.) . Mittels einer geeigneten Fügetechnologie kann dann eine dauerhafte oder lösbare Verbindung mit dem späteren Formteil (z.B. gebogener Kühler) hergestellt werden.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung für einen Stromrich ter, aufweisend mindestens ein Leistungshalbleiterbauelemente aufweisendes Leistungsmodul und einen Kühler, wobei der Küh ler eine gekrümmte Oberfläche aufweist und das Leistungsmodul auf der Oberfläche angeordnet und mit dem Kühler stoffschlüs sig verbunden ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil, das Leistungsmodule auch auf gekrümmten Oberflächen sicher befestigt werden können.

In einer Weiterbildung kann die stoffschlüssige Verbindung mit Hilfe einer Verbindungsschicht ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Verbindungsschicht eine Isolationsfolie, ein Lot oder ein Kleber sein.

In einer weiteren Ausprägung können die Leistungshalbleiter bauelemente mit dem Leistungsmodul in gleicher Krümmung gebo gen sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leistungsmodul gleich der Oberfläche gekrümmte, die Leistungshalbleiterbau elemente kontaktierende Leiterbahnen aufweisen, in denen Ka vitäten zur Aufnahme der Leistungshalbleiterbauelemente der art ausgebildet sind, dass die Leistungshalbleiterbauelemente nicht gebogen angeordnet sind.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leistungsmodul ein gleich dem Leistungsmodul gekrümmtes Keramiksubstrat aufwei sen, auf dem die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind .

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leistungsmodul ein Dick-Kupfer-Substrat aufweisen, wobei die den Leistungshalb- leitbauelementen abgewandte Seite des Dick-Kupfer-Substrats zu der Oberfläche des Kühlers korrespondierend gekrümmt aus gebildet ist.

Die Erfindung beanspruchtauch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung wobei, eine Isolationsfo lie, Leiterbahnen, erste Lötschichten, Leistungshalbleiter bauelemente, zweiten Lötschichten und ein zweiter Schaltungs träger auf der Oberfläche des Kühlers gestapelt werden und anschließend drucklaminiert.

Die Erfindung beansprucht des Weiteren ein Verfahren zum Her stellen einer erfindungsgemäßen Anordnung mit den Schritten:

Stapeln einer Isolationsfolie und der Leiterbahnen auf der Oberfläche des Kühlers,

Drucklaminieren des Stapels,

Ausbilden der Kavitäten in den Leiterbahnen,

Anordnen einer ersten Lötschicht und der Leistungshalblei terbauelemente in den Kavitäten,

Stapeln von zweiten Lötschichten und dem zweiten Schal tungsträger auf den Leistungshalbleiterbauelementen und Drucklaminieren des Stapels.

Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung mit den Schritten:

Bearbeiten der Unterseite des Dick-Kupfer-Substrats in die Form der Oberfläche des Kühlers,

Stapeln einer Isolierfolie und des Leistungsmoduls auf der Oberfläche des Kühlers und

Drucklaminieren des Stapels.

Die Erfindung beansprucht außerdem einen Stromrichter, insbe sondere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Anord nung .

Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird.

Außerdem beansprucht die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.

Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Trans portmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein.

Das Flugzeug kann einen durch den Stromrichter mit elektri scher Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller aufweisen.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Anordnung eines ersten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 2 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines ers ten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines ers ten Ausführungsbeispiels, Fig. 4 eine Schnittansicht einer Anordnung eines zweiten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 5 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines

zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines

zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Anordnung eines dritten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 8 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines

dritten Ausführungsbeispiels,

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Anordnung eines vierten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 10 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines vierten Ausführungsbeispiels,

Fig. 11 eine weitere Schnittansicht einer Anordnung eines vierten Ausführungsbeispiels,

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einem

Leistungsmodul und

Fig. 13 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig . 1 bis Fig . 3 zeigen Schnittansichten eines Leistungsmo duls 1 eines ersten Ausführungsbeispiels. Fig . 1 zeigt den Ausgangszustand vor einer Drucklaminierung, Fig . 2 den Zu stand nach der Drucklaminierung und Fig . 3 das verfüllte Leistungsmodul 1. Auf einem Kühler 10 mit einer eindimensio nal gekrümmten Oberfläche sind gestapelt folgende Komponenten des Leistungsmoduls 1 angeordnet: eine Isolationsfolie 2.1 (z.B. B-Stage Material = vorvernetztes Polymer), ein erster Schaltungsträger 3 mit Leiterbahnen 3.1 (z.B. aus duktilem

Kupfer oder Aluminium) , eine erste Lotschicht 4 (die soge nannten Lotpreforms ) , die Leistungshalbleiterbauelemente 5, eine zweite Lotschicht 6 und ein zweiter Schaltungsträger 7 (z.B. ein PCB mit duktilem Kupfer) .

Durch die Verlötung unter Druck (angedeutet durch den Pfeil P) und Wärme, wie in Fig 2 zu sehen, werden alle Komponenten gebogen auf den Kühler 1 laminiert und härten unter Druck aus (bei B-Staging Materialien) bzw. erstarren (Lot) . Eine ab schließende Verfüllung mittels eines Isoliermaterials 8 (auch als „Underfill" bezeichenbar) , wie in Fig. 3 dargestellt, sorgt für die Isolation und eine zusätzliche mechanische Fi xierung .

Fig. 4 bis Fig. 6 zeigen Querschnitte eines Leistungsmoduls 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei zuerst ein Druck laminieren des ersten Schaltungsträgers 3 (unterhalb der Leistungshalbleiterbauelemente 5) mittels der Verbinddung schicht 2 auf den eindimensional gekrümmten Kühler 10 er folgt, wie in Fig. 4 und Fig. 5 mit dem Pfeil P angedeutet.

In dem ersten Schaltungsträger 3 mit seinen Leiterbahnen 3.1 werden nachfolgend Kavitäten 9 eingefräst, wie in Fig. 5 dar gestellt, die den Vorteil haben, dass deren untere Begrenzung auf einer planen, nicht gekrümmten Ebene liegen. Somit ist gewährleistet, dass die darüber liegenden teilweise nicht dargestellten Schichten, wie erste Lotschicht 4, Leistungs halbleiterbauelemente 5, die zweite Lotschicht 6 und der zweite Schaltungsträger 7 in einem zweiten Schritt auf einer planen Ebene drucklaminiert werden können, wie in Fig. 6 zu erkennen ist, und die Leistungshalbleiterbauelemente 5 nicht gebogen werden müssen.

Dieses Vorgehen reduziert das Risiko einer möglichen Halblei terbeschädigung, die durch eine zu hohe Krümmung bedingt ist. Das Isolationsmaterial 8 ist zwecks der Übersichtlichkeit in diesem Ausführungsbeispiel nicht gezeichnet, ist jedoch ana log zu Fig. 3 ausgeführt.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Querschnitte eines dritten Ausfüh rungsbeispiels eines Leistungsmoduls 1, wobei Fig. 7 den Aus gangszustand vor einer Drucklaminierung und Fig. 8 den Zu stand danach zeigt. Es wird ein Leistungsmodul 1 mit S13N4- Keramikträger 11 und planarer Aufbau- und Verbindungstechno- logie oberhalb des Kühlers 10 mit einer eindimensional ge krümmten Oberfläche platziert. Dazwischenliegend wird eine Verbindungsschicht 2, beispielsweise ein Lot oder ein Kleber, aufgetragen. Durch eine Verlötung unter Druck, wie in Fig. 7 durch den Pfeil P angedeutet, wird einerseits der Keramikträ ger 11 gebogen und andererseits die darüber liegenden Leis tungshalbleiterbauelemente 5 mit planarer Aufbau- und Verbin dungstechnologie mit gebogen.

Fig. 9 bis Fig. 11 zeigen einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Leistungsmoduls 1 mit einem orga nischen Dickkupfer-Substrat 13 (Isolation = Organik), das auf einen Kühler 10 mit einer eindimensional gekrümmten Oberflä che angeordnet ist. Das organische Substrat 13 besteht aus mehreren Millimeter dicken Cu-Teilen 13.1 (> 250 pm dick), die in ein Moldmaterial 13.2 eingebettet sind) . Auf dem Dick- kupfer-Substrat 13 befinden sich bereits die Leistungshalb leiterbauelemente 5 (gelötet, gesintert, geklebt, etc.), die zudem mit einer planaren Aufbau- und Verbindungstechnologie kontaktiert sind.

Durch einen subtraktiven Prozess (Schleifen, Fräsen, etc.), wie in Fig. 10 durch den Pfeil S angedeutet, wird die spätere abzuformende Topografie entfernt. Das Abformen der Topografie kann sowohl vor als auch nach dem Aufbringen der Leistungs halbleiterbauelemente 5 erfolgen. Nachfolgend wird über einen Drucklaminierungsprozess , wie in Fig. 11 dargestellt, das Dickkupfer-Substrat 13 mit Hilfe eines elektrisch isolieren den Materials (= Isolationsfolie 2.1) mit dem Kühler 10 ver- bunden. Die Isolationsfolie 2.1 kann z.B. aus Epoxy mit Kera mikpartikeln sein.

Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 12, insbesondere eines Umrichters, mit einem erfindungsgemäß auf einen Kühler 10 gefügten Leistungsmodul 1 gemäß den Darstel lungen der Fig. 1 bis Fig. 11.

Fig. 13 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft- fahrzeug 14, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrich ter 12 gemäß Fig. 12, der einen Elektromotor 15 mit elektri scher Energie versorgt. Der Elektromotor 15 treibt einen Pro peller 16 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit .

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Leistungsmodul

2 Verbindungsschicht

2.1 Isolationsfolie

3 erster Schaltungsträger

3.1 Leiterbahn

4 erste Lotschicht

5 Leistungshalbleiterbauelement

6 zweite Lotschicht

7 zweiter Schaltungsträger

8 Isoliermaterial

9 Kavität

10 Kühler

11 Keramikträger

12 Stromrichter

13 Dickkupfer-Substrat

13.1 Kupferteil

13.2 Moldmaterial

14 Luftfahrzeug

15 Elektromotor

16 Propeller