DE102019114520A1 - Leistungselektroniksubstrat, Leistungselektronikmodul und Stromrichter - Google Patents
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Abstract
Leistungselektroniksubstrat (2), umfassend eine elektrisch isolierende Grundplatte (4) und eine auf einer Seite der Grundplatte angeordnete elektrisch leitfähige Oberflächenschicht (6), wobei die Oberflächenschicht (6) zumindest in einem Messabschnitt (9) aus einer Widerstandslegierung gebildet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungselektroniksubstrat, umfassend eine elektrisch isolierende Grundplatte und eine auf einer Seite der Grundplatte angeordnete elektrisch leitfähige Oberflächenschicht.
- Daneben betrifft die Erfindung ein Leistungselektronikmodul und einen Stromrichter.
- Leistungselektroniksubstrate dienen der Aufnahme von Leistungshalbleiterbauelementen und zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Wärmebeständigkeit, eine hohe Isolationsfähigkeit und ein hohes Wärmeableitvermögen aus. Ein Beispiel für ein solches Leistungselektroniksubstrat ist eine DCB (Direct Copper Bonded), welches eine elektrisch isolierende Grundplatte aus einem keramischen Material und eine auf einer Seite der Grundplatte angeordnete elektrisch leitfähige Oberflächenschicht aus Kupfer aufweist. Beim Einsatz solcher Leistungselektroniksubstrate oder aus ihnen gebildeten Leistungselektronikmodulen, beispielsweise bei einem Betrieb in einem Stromrichter, kann eine Strommessung erforderlich sein. Zu diesem Zweck werden häufig Shunts (Nebenschlusswiderstände) eingesetzt. Es ist bekannt, Shunts als Bauteil auf einer DCB anzuordnen.
- Das Dokument
DE 103 40 401 A1 offenbart eine Stromrichteranordnung mit mehreren Bauelementträgern vom DCB-Typ als Leistungshalbleiter-Bauelementträger und einem diesen nachgeschalteten Messmittel-DCB-Träger mit mehreren wahlweise belegbaren Einbauplätzen für jeweils einen Nebenschlusswiderstand als Messmittel zur Erfassung eines Strom-Istwerts. - Derartige Shunts nehmen als separates Bauteil einen großen Bauraum in Anspruch und erwärmen sich stark, was einen zusätzlichen Aufwand für die Kühlung des Shunts nach sich zieht.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Strommessung auf dem Gebiet der Leistungselektronik anzugeben, die aufwandsarm und bauraumsparend realisierbar ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Leistungselektroniksubstrat der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Oberflächenschicht zumindest in einem Messabschnitt aus einer Widerstandslegierung gebildet ist.
- Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Oberflächenschicht zumindest partiell aus der Widerstandslegierung zu bilden, die sich typischerweise auch als Material zur Herstellung eines Shunts eignet. Es kann dadurch auf als separate Bauteile ausgebildete Shunts verzichtet und eine unmittelbare Integration des Shunts in das Leistungselektroniksubstrat realisiert werden. Der Oberflächenschicht wird so einem zusätzlichen Nutzwert verliehen, da der Messabschnitt als Shunt benutzt werden kann.
- Mithin entfällt der zusätzliche Bauraum für als separate Bauelemente ausgebildete Shunts. Ferner kann eine in der Praxis ohnehin häufig vorgesehene Kühlung des Leistungselektroniksubstrat für die Kühlung des Messabschnitts ohne zusätzliche Maßnahmen mitgenutzt werden. Eine zusätzliche Kühlstruktur für einen Shunt entfällt so. Das erfindungsgemäße Leistungselektroniksubstrat ermöglich daher vorteilhafterweise eine bauraumsparende und aufwandsarm realisierbare Strommessung.
- Das erfindungsgemäße Leistungselektroniksubstrat kann ferner eine zweite Oberflächenschicht auf einer der ersten Seite der Grundplatte gegenüberliegenden zweiten Seite aufweisen. Auch die zweite Oberflächenschicht kann zumindest in einem Messabschnitt aus der Widerstandslegierung gebildet sein. Im Übrigen lassen sich sämtliche Ausführungen zur ersten Oberflächenschicht auch auf die zweite Oberflächenschicht übertragen.
- Die Widerstandslegierung zeichnet sich zweckmäßigerweise durch einen über weite Temperaturbereiche geringen linearen Widerstandstemperaturkoeffizienten aus, der insbesondere geringer als jener von Kupfer ist. Es wird bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrat bevorzugt, wenn der lineare Widerstandstemperaturkoeffizient der Widerstandslegierung in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 105 °C betragsmäßig nicht größer als 1,0 . 10-3 K-1, bevorzugt nicht größer als 1,0 . 10-4 K-1 ist.
- Hinsichtlich des Materials der Widerstandslegierung wird es bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrat bevorzugt, wenn die Widerstandslegierung eine Legierung mit mindestens 50 Gew.-% Kupfer und wenigstens 5 Gew.-% und höchstens 25 Gew.-% Mangan ist. Die Legierung kann ferner wenigstens 0,1 Gew.-% und/oder höchstens 5 Gew.-% Nickel und/oder wenigstens 0,5 Gew.-% und/oder höchstens 5 Gew.-% Aluminium aufweisen. Typische Widerstandslegierungen auf Basis von Kupfer sind beispielsweise CuMn13AI (Isabellin®) oder CuMn12Ni (Manganin®).
- Alternativ kann bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrat vorgesehen sein, dass die Widerstandslegierung eine Legierung mit mindestens 50 Gew.-% Nickel und wenigstens 5 Gew.-% und höchstens 30 Gew.-% Chrom ist. Eine typische Widerstandslegierung auf Basis von Nickel ist beispielsweise NiCr20AISi (Isaohm®).
- Es wird besonders bevorzugt, wenn das erfindungsgemäße Leistungselektroniksubstrat zwei Messkontakte auf der Oberflächenschicht aufweist, die elektrisch leitend mit zwei Enden des Messabschnitts verbunden sind oder zwei Enden des Messabschnitts bilden. An diesen Messkontakten kann dann eine Shuntspannung zur Ermittlung einer Stromstärke eines elektrischen Stroms durch den Messabschnitt abgegriffen werden.
- Gemäß einer ersten Ausgestaltungsalternative kann die Oberflächenschicht des erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrats vollständig aus der Widerstandslegierung gebildet sein. Dann kann die Oberflächenschicht in einem einzigen Prozessschritt auf die Grundplatte aufgebracht werden.
- Bei einer zweiten Ausgestaltungsalternative des erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrats kann die Oberflächenschicht außerhalb des Messabschnitts zu mindestens 95 Gew.-% aus Kupfer gebildet sein. Mithin wird die Oberflächenschicht in diesem Fall außerhalb des Messabschnitts wie nach dem Stand der Technik bekannt aus einem im Wesentlichen aus Kupfer bestehenden Material ausgebildet.
- Typischerweise sind in der Oberflächenschicht Leiterbahnen ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen. Eine den Messabschnitt umfassende Leiterbahn ist typischerweise so ausgebildet, dass ein Strom entlang der Leiterbahn vollständig durch den Messabschnitt fließt. Zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen ist zweckmäßigerweise eine Ausnehmung in der Oberflächenschicht ausgebildet.
- Es wird grundsätzlich bevorzugt, wenn die Grundplatte aus einem keramischen Material gebildet ist. Dann können durch das erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrat wesentliche Vorteile einer DCB realisiert werden. Alternativ kann die Grundplatte eine Metallplatte mit einer ein keramisches Material umfassenden dielektrischen Schicht umfassen. In diesem Fall ist die Struktur der Grundplatte im Wesentlichen der eines isolierten Metallsubstrats angenähert. Die Metallplatte kann aus Aluminium gebildet sein. Die dielektrische Schicht kann ein mit Keramikpulver gefülltes Polymer umfassen.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Leistungselektronikmodul, umfassend wenigstens ein erfindungsgemäßes Leistungselektroniksubstrat und wenigstens eine Leistungshalbleiteranordnung, die elektrisch leitend mit der Oberflächenschicht des Leistungselektroniksubstrats verbunden ist.
- Typischerweise ist die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Leistungselektroniksubstrat und der Leistungshalbleiteranordnung durch einen oder mehrere Bonddrähte realisiert. Die Leistungshalbleiteranordnung kann mittels einer Verbindungsschicht, beispielsweise einer Lot- oder Sinterschicht, auf dem Leistungselektroniksubstrat befestigt sein. Bevorzugt umfasst das Leistungshalbleitermodul mehrere Leistungselektroniksubstrate, auf denen jeweils eine Leistungshalbleiteranordnung vorgesehen ist. Das Leistungselektronikmodul kann ferner eine Basisplatte aufweisen, auf welcher das oder die Leistungselektroniksubstrate mit der der Leistungshalbleiteranordnung gegenüberliegenden Seite, insbesondere mittels einer Kontaktschicht (z.B. einer Lot- oder Sinterschicht), angeordnet sein können. Ferner kann das Leistungselektronikmodul eine Wärmesenke aufweisen, auf welcher die Basisplatte mit ihrer dem Leistungselektroniksubstrat gegenüberliegenden Seite, insbesondere über eine Wärmeleitschicht, angeordnet ist.
- Zweckmäßigerweise umfasst die Leistungshalbleiteranordnung einen oder mehrere Leistungstransistoren. Außerdem kann die Leistungshalbleiteranordnung eine oder mehrere Dioden umfassen, die insbesondere antiparallel zu den Leistungstransistoren geschaltet sind. Typischerweise bildet die Leistungshalbleiteranordnung eine Halbbrücke aus.
- Daneben wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen Stromrichter gelöst, umfassend wenigstens ein erfindungsgemäßes Leistungselektronikmodul und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Leistungshalbleiteranordnung zur Leistungswandlung anzusteuern.
- Bevorzugt ist der Stromrichter als Wechselrichter, insbesondere für einen Antrieb eines Fahrzeugs, ausgebildet. Der Stromrichter kann aber auch als Gleichrichter oder Umrichter oder Gleichspannungswandler ausgebildet sein.
- Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Leistungselektroniksubstrat lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul und den erfindungsgemäßen Stromrichter übertragen, so dass auch mit diesen die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden können.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls im Bereich eines Messabschnitts; -
2 eine Draufsicht auf das in1 gezeigte Ausführungsbeispiel; -
3 eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls im Bereich eines Messabschnitts; -
4 eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls; und -
5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stromrichters. -
1 ist eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines Leistungselektronikmoduls1 , das ein Ausführungsbeispiel eines Leistungselektroniksubstrats2 und eine Leistungshalbleiteranordnung3 , umfasst. - Das Leistungselektroniksubstrat
2 weist eine elektrische isolierende Grundplatte4 und eine auf einer ersten Seite5 der Grundplatte4 angeordnete elektrisch leitfähige erste Oberflächenschicht6 auf. Daneben umfasst das Leistungselektroniksubstrat ferner auf einer der ersten Seite5 gegenüberliegenden zweiten Seite7 der Grundplatte4 eine zweite elektrisch leitfähige Oberflächenschicht8 . - Die erste Oberflächenschicht
6 hat einen Messabschnitt9 , der aus einer Widerstandslegierung gebildet ist, wohingegen übrige Abschnitte10 der ersten Oberflächenschicht6 und die zweite Oberflächenschicht8 aus Kupfer oder aus einer wenigstens 95 Gew.-% Kupfer umfassenden Legierung gebildet sind. - Die Widerstandslegierung zeichnet sich dadurch aus, dass ihr linearer Widerstandstemperaturkoeffizient in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 105 °C betragsmäßig nicht größer als 0,1 . 10-3 K-1 ist. Das Material der Widerstandslegierung ist eine Kupferlegierung mit mindestens 50 Gew.-% Kupfer und mit zwischen 5 und 25 Gew.-% Mangan. Weitere Bestandteile können Nickel und/oder Aluminium sein. Die Widerstandslegierung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel CuMn13AI (Isabellin®) oder CuMn12Ni (Manganin®). Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Widerstandslegierung eine Nickellegierung mit mindestens 50 Gew.-% Nickel und zwischen 5 und 30 Gew.-% Chrom, wie beispielsweise in NiCr20AISi (IsaOhm®).
- Das Leistungselektroniksubstrat
2 weist ferner einen ersten Messkontakt11 , der an ersten Ende12 des Messabschnitts9 angeordnet ist, und einen zweiten Messkontakt13 , der an einem zweiten Ende14 des Messabschnitts9 angeordnet ist, auf. Die Messkontakte11 ,13 sind elektrisch leitend mit den Enden12 ,14 verbunden. Wird der Messabschnitt9 von einem elektrischen Strom durchflossen, so fällt über ihm eine Shuntspannung ab, die unter Berücksichtigung des Widerstands des Messabschnitts9 und der Position der Messkontakte11 ,13 zur Ermittlung der Stromstärke des elektrischen Stroms verwendet werden kann. Dadurch kann auf herkömmlicherweise vorgesehene Shunts als separate Bauelemente verzichtet werden, da durch die Ausbildung des Messabschnitts9 aus der Widerstandslegierung eine Integration des Shunts in das Leistungselektroniksubstrat2 realisiert wird. - Die Grundplatte
4 des Leistungselektroniksubstrat2 ist aus einem keramischen Material gebildet. Die Struktur des Leistungselektroniksubstrats2 entspricht so bis auf den aus der Widerstandslegierung gebildeten Messabschnitt9 einer DCB (Direct Copper Bonded). Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst die Grundplatte eine Metallplatte, die auf mindestens einer Seite von einer dielektrischen Schicht umschlossen ist. Insofern bildet das Leistungselektroniksubstrat dann die Grundstruktur eines isolierten Metallsubstrat ab. -
2 ist eine Draufsicht auf das in1 gezeigte Leistungselektronikmodul1 . - Ersichtlich sind eine Vielzahl von Leiterbahnen
15 auf der ersten Seite5 des Leistungselektroniksubstrat2 ausgebildet. Zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen15 sind Ausnehmungen17 der ersten Oberflächenschicht6 durch Ätzen ausgebildet und die Grundplatte4 frei. Der Messabschnitt9 ist vorliegend exemplarisch entlang einer Leiterbahnen15 ausgebildet, die einerseits durch einen Rand16 des Leistungselektroniksubstrats2 bzw. der ersten Oberflächenschicht6 und andererseits durch eine Ausnehmung17 begrenzt ist. Andere Positionen des Messabschnitts9 sind möglich. - Die Leistungshalbleiteranordnung
3 umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete erste Leistungstransistoren18 sowie drei ebenfalls parallel geschaltete zweite Leistungstransistoren19 , die mit den Leistungstransistoren18 so verschaltet sind, dass sie eine Halbbrücke ausbilden. Exemplarisch sind die Leistungstransistoren18 ,19 jeweils ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Leistungs-MOSFET. Daneben weist die Leistungshalbleiteranordnung3 mehrere antiparallel zu einem jeweiligen Leistungstransistor18 ,19 geschaltete Dioden20 auf. - Wie in
1 gut zu erkennen ist, ist die Leistungshalbleiteranordnung3 bzw. sind die Leistungstransistoren18 ,19 und die Dioden20 mittels Verbindungsschichten21 auf der ersten Oberflächenschicht6 befestigt und durch erste Bonddrähte22 untereinander und mit den Leiterbahnen15 der ersten Oberflächenschicht6 elektrisch leitend verbunden. - Daneben umfasst das Leistungselektronikmodul
1 zweite Bonddrähte23 und dritte Bonddrähte24 , die durch Ultraschallschweißen mit der ersten Oberflächenschicht6 verbunden sind und der externen Kontaktierung des Leistungselektronikmoduls1 dienen. Die Bonddrähte23 ,24 sind jeweils aus einem Flachdraht gebildet. -
3 ist eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leistungselektronikmoduls1 mit einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Leistungselektroniksubstrats2 . Die Ausführungsbeispiele entsprechen einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, soweit im Folgenden nichts Abweichendes beschrieben wird. - Bei dem Leistungselektroniksubstrat
2 ist die erste Oberflächenschicht6 vollständig aus der Widerstandslegierung gebildet. D. h. sowohl der Messabschnitt9 als auch alle weiteren Abschnitte10 bestehen aus der Widerstandslegierung. Dementsprechend sind auch die Kontaktelemente11 ,13 unmittelbar elektrisch leitend an die Widerstandslegierung angebunden und bilden insofern selbst die Enden12 ,14 des Messabschnitts9 . -
4 ist eine Prinzipskizze eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels des Leistungselektronikmoduls1 . - Das Leistungselektronikmodul
1 umfasst mehrere, hier vorliegend drei, Leistungselektroniksubstrate2 , denen die jeweils eine Leistungshalbleiteranordnung3 zugeordnet ist. Insofern entspricht ein Leistungselektroniksubstrat2 mit der auf ihm befestigten Leistungshalbleiteranordnung3 strukturell jeweils einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele des Leistungselektronikmoduls. Jedes Leistungshalbleitersubstrat2 ist in der Regel über die zweite Oberflächenschicht8 über eine Kontaktschicht25 , beispielsweise einer Lot- oder Sinterschicht, mit einer Basisplatte26 verbunden, sofern diese vorhanden ist, die wiederum mittels einer aus einer Wärmeleitpaste gebildeten Wärmeleitschicht27 mit einem Kühlkörper28 verbunden ist. -
5 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Stromrichters29 , der als Leistungseinheit ein Leistungselektronikmodul1 gemäß4 oder drei anderweitig angeordnete Leistungselektronikmodul1 nach einem der Ausführungsbeispiele gemäß1 bis3 aufweist. Daneben umfasst der Stromrichter29 eine Steuereinrichtung30 , die dazu eingerichtet ist, die Leistungshalbleiteranordnung3 zur Leistungswandlung anzusteuern. - Exemplarisch ist der Stromrichter
29 hier als Wechselrichter gezeigt, der eine von einer Gleichspannungsquelle31 bereitgestellte Gleichspannung über erste Stromschienen32 , die mit den zweiten Bonddrähten23 elektrisch leitend verbunden sind, in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt. Ausgangsseitig ist der Stromrichter29 für jede Phase über eine zweite Stromschiene33 mit einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine34 eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, verbunden. Dabei sind die dritten Bonddrähte24 , die eine der Leistungshalbleiteranordnungen3 kontaktieren, mit einer der zweiten Stromschienen33 elektrisch leitend verbunden. - Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist der Stromrichter als aktiver Gleichrichter, als Umrichter oder als Gleichspannungswandler ausgebildet.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 10340401 A1 [0004]
Claims (10)
- Leistungselektroniksubstrat (2), umfassend eine elektrisch isolierende Grundplatte (4) und eine auf einer Seite (5) der Grundplatte angeordnete elektrisch leitfähige Oberflächenschicht (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (6) zumindest in einem Messabschnitt (9) aus einer Widerstandslegierung gebildet ist.
- Leistungselektroniksubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lineare Widerstandstemperaturkoeffizient der Widerstandslegierung in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 105 ° C betragsmäßig nicht größer als 0,1 . 10 3 K 1 ist, und/oder wobei die Widerstandslegierung eine Legierung mit mindestens 50 Gew.-% Kupfer und wenigstens 5 Gew.-% und höchstens 25 Gew.-% Mangan oder eine Legierung mit mindestens 50 Gew.-% Nickel und wenigstens 5 Gew.-% und höchstens 30 Gew.-% Chrom ist.
- Leistungselektroniksubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwei Messkontakte (11, 13) auf der Oberflächenschicht (6) aufweist, die elektrisch leitend mit zwei Enden (12, 14) des Messabschnitts (9) verbunden sind oder die zwei Enden (12, 14) des Messabschnitts (9) bilden.
- Leistungselektroniksubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (6) außerhalb des Messabschnitts zu mindestens 95 Massenprozent aus Kupfer gebildet ist.
- Leistungselektroniksubstrat nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei die Oberflächenschicht (6) vollständig aus der Widerstandslegierung gebildet ist. - Leistungselektroniksubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Oberflächenschicht (6) Leiterbahnen (15) ausgebildet sind.
- Leistungselektroniksubstrat, wobei die Grundplatte (4) aus einem keramischen Material gebildet ist oder eine Metallplatte mit einer ein keramisches Material umfassenden dielektrischen Schicht umfasst.
- Leistungselektronikmodul (1), umfassend wenigstens ein Leistungselektroniksubstrat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und wenigstens eine Leistungshalbleiteranordnung (3), die elektrisch leitend mit der Oberflächenschicht (6) des Leistungselektroniksubstrats (2) verbunden ist.
- Leistungselektronikmodul, wobei die Leistungshalbleiteranordnung (3) einen oder mehrere Leistungstransistoren (18, 19) umfasst.
- Stromrichter (29), umfassend ein Leistungselektronikmodul (1) nach
Anspruch 8 oder9 und eine Steuereinrichtung (30), die dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Leistungshalbleiteranordnung (3) zur Leistungswandlung anzusteuern.
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