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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Leistungselektronikmodul, insbesondere ein Spritzguss-Leistungselektronikmodul.
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HINTERGRUND
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Es können für verschiedenste Zwecke in einem bestimmten Gerät verschiedene elektronische Module verwendet werden. Zum Beispiel können elektronische Module in Kraftfahrzeuganwendungen eine elektrische Sicherung, eine Entladungsschaltung, einen Hochspannungs-/Niederspannungs-DC-DC-Wandler, ein eingebautes Ladegerät usw. bereitstellen. Insbesondere können einige Anschlüsse solcher Module dazu konzipiert sein, hohe Spannungen, zum Beispiel 600 V, 800 V, 1200 V oder in einigen Fällen sogar noch höher, zu steuern.
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Wenn sich Anschlüsse auf verschiedenen Spannungen befinden, werden minimale Kriechstrecken definiert. Die Kriechstrecke ist die Entfernung zwischen leitenden Teilen, die sich von oder an dem Modul erstrecken, wie beispielsweise Leistungsanschlüsse, Steueranschlüsse oder leitende Metall-Pads zum Montieren eines Kühlkörpers. Bei einer Betriebsspannung von bis zu 850 V und einem bestimmten definierten Verunreinigungsgrad kann zum Beispiel eine Kriechstrecke von 8,5 mm erforderlich sein. Besondere Anwendungen und Spannungen können größere Kriechstrecken erfordern. Es ist jedoch im Allgemeinen nicht wünschenswert, die Abmessungen des Moduls zu vergrößern. Daher besteht ein Bedarf an Designs, die verbesserte Kriechstrecken liefern, ohne zwangsweise die Gesamtabmessungen des Packages zu vergrößern.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt, das Folgendes umfasst: einen Spritzguss-Körper mit einer Oberseite und mehreren Rändern um die Oberseite herum; ein metallisches Pad auf der Oberseite; mehrere Hochspannungsanschlüsse, die sich von einem ersten Rand nach außen erstrecken, wobei der erste Rand einer mehrerer Ränder ist, wobei die Hochspannungsanschlüsse an ihrem Eintrittspunkt in den Spritzguss-Körper um mindestens eine Kriechstrecke von dem metallischen Pad beabstandet sind; mindestens einen Niederspannungsanschluss, der lateral von den mehreren Niederspannungsanschlüssen beabstandet ist; wobei der erste Rand einen Absatz in dem Spritzguss-Körper zwischen den Hochspannungsanschlüssen und dem mindestens einen Niederspannungsanschluss definiert, derart, dass der laterale Abstand zwischen dem mindestens einen Niederspannungsanschluss und dem metallischen Pad weniger als die Kriechstrecke beträgt, und derart, dass die entlang der festen Oberfläche des Spritzguss-Körpers zwischen den Eintrittspunkten der Hochspannungsanschlüsse und des mindestens einen Niederspannungsanschlusses gemessene Entfernung mindestens die Kriechstrecke ist.
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Durch Bereitstellen eines Absatzes zwischen Hoch- und Niederspannungsanschlüssen kann der laterale Abstand zwischen Hoch- und Niederspannungsanschlüssen reduziert werden.
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Figurenliste
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Es wird nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die Ausführungsform veranschaulicht ein Beispiel, und die Zeichnung dient zusammen mit der Beschreibung dazu, Grundzüge der Offenbarung zu erläutern. Weitere Beispiele und Vorteile werden für den Fachmann ersichtlich. Die Zeichnung ist nicht zwangsweise maßstäblich. Es werden Bezugszahlen verwendet, wobei eine Bezugszahl dazu verwendet wird, gleiche, ähnliche oder einander entsprechende Teile zu bezeichnen.
- 1 zeigt eine Draufsicht eines Beispiels für ein Leistungselektronikmodul gemäß einem Beispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der vorliegenden Beschreibung wird Terminologie wie beispielsweise „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „obere(r)“, „untere(r)“ usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur verwendet. Der Fachmann wird erkennen, dass Komponenten in vielen Richtungen ausgerichtet werden können und eine solche Terminologie rein beispielhaft ist.
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Sofern die Begriffe „enthalten“, „aufweisen“, „mit“ oder andere Variationen davon, entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, verwendet werden, sollen diese Begriffe des Weiteren in ähnlicher Weise wie der Begriff „umfassen“ eine einschließliche Bedeutung haben. Es können die Begriffe „gekoppelt“ und „verbunden“ nebst Ableitungen davon verwendet werden. Es sollte auf der Hand liegen, dass diese Begriffe dazu verwendet werden können, anzuzeigen, dass zwei Elemente zusammenwirken oder miteinander interagieren, wobei es unerheblich ist, ob sie in direktem physischem oder elektrischem Kontakt miteinander stehen oder nicht in direktem Kontakt miteinander stehen; es können Zwischenelemente oder -lagen zwischen den „gebondeten“, „befestigten“ oder „verbundenen“ Elementen vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die „gebondeten“, „befestigten“ oder „verbundenen“ Elemente in direktem Kontakt miteinander stehen. Des Weiteren soll der Begriff „beispielhaft“ ein Beispiel und nicht das Beste oder Optimale bedeuten.
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Die nachfolgend beschriebenen Beispiele für ein Leistungselektronikmodul können verschiedene Arten von Halbleiterchips oder -schaltungen, die in den Halbleiterchips eingebaut sind, verwenden, darunter AC-DC- oder DC-DC-Wandlerschaltungen, Leistungs-MOSFET-Transistoren, Leistungs-Schottky-Dioden, JFETs (Junction Gate Field Effect Transistors), bipolare Leistungstransistoren, integrierte Logikschaltungen, integrierte analoge Schaltungen, integrierte Mischsignalschaltungen, Sensorschaltungen, MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems), integrierte Leistungsschaltungen, Chips mit integrierten passiven Bauelementen usw. Die Beispiele können auch Halbleiterchips verwenden, die MOS-Transistorstrukturen oder Vertikaltransistorstrukturen wie beispielsweise IGBT-Strukturen (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) umfassen.
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Ein effizientes Leistungselektronikmodul kann beispielsweise Materialverbrauch, Ohm'sche Verluste, chemische Abfälle usw. reduzieren und kann somit Energie- und/oder Ressourceneinsparungen ermöglichen. Verbesserte Leistungselektronikmodule und verbesserte Verfahren zum Herstellen von Leistungselektronikmodulen, wie in dieser Beschreibung angeführt, können somit zumindest indirekt zu grünen Technologielösungen, d. h. klimafreundlichen Lösungen, die eine Minderung von Energie- und/oder Ressourcenverbrauch gewährleisten, beitragen.
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1 zeigt ein Leistungselektronikmodul 100 gemäß einer Ausführungsform, das einen Spritzguss-Körper 102 umfasst, der eine von mehreren Rändern 106 umgebene Oberseite 104, eine Unterseite (nicht gezeigt) auf der der Oberseite 104 gegenüberliegenden Seite, und mehrere sich von den Rändern 106 zu dem Spritzguss-Körper 100 erstreckende Anschlüsse 120 aufweist. Der Spritzguss-Körper 100 enthält auch ein mittleres metallisches Gebiet 108 auf der Oberseite 104 zum Montieren des Spritzguss-Körpers 100 an einem Kühlkörper.
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Das Modul 100 kann ein einseitig gekühlter Spritzguss-Körper wie beispielsweise ein oberseitig gekühltes Modul oder ein doppelseitig gekühltes Modul sein.
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Die innere Struktur des Moduls kann Keramiksubstrate, Keramiksubstrate mit daran gebondetem Metall wie beispielsweise DCB-Substrate (DCB - Direct Copper Bonded) oder andere Montagesubstrate mit einem oder mehreren daran montierten Halbleiter-Dies beinhalten.
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Wenn das Modul 100 Substrate aufweist, können sie eine beliebige geeignete Art von Substrat sein, und sie können von gleicher oder unterschiedlicher Substratart sein. Das erste und/oder zweite Substrat 110, 120 kann/können zum Beispiel von der Art DAB (Direct Aluminium Bond), DCB (Direct Copper Bond) oder AMB (Active Metal Brazing) oder IMS (Insulated Metal Substrate) oder PCB (Printed Circuit Board) sein.
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Es ist nicht erforderlich, dass das Modul irgendwelche solche Substrate beinhaltet. Zum Beispiel kann das Modul auch ein Leiterrahmenmodul mit einem metallischen Leiterrahmen mit einem oder mehreren auf dem Modul montierten Halbleiterchips ohne jegliche keramische Substrate sein.
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Falls das Elektronikmodul 100 mehrere Halbleiter-Dies umfasst, können diese alle identische Dies sein, oder sie können verschiedene Die-Typen sein.
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Die Anschlüsse 130, 140 können so vorgesehen sein, dass sie sich von den Rändern 106 des Spritzguss-Körpers 102 von jeweiligen Eintrittspunkten 132, 142 nach außen erstrecken. Jedes Paar benachbarter Anschlüsse ist durch eine laterale Entfernung im Wesentlichen senkrecht zu der nach außen verlaufenden Richtung voneinander beabstandet. Es sei darauf hingewiesen, dass die laterale Richtung in 1 die x-Richtung ist und sich die Anschlüsse entlang der y-Richtung nach außen erstrecken.
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Es ist nicht erforderlich, dass sich alle Anschlüsse 130, 140 des Moduls 100 von dem gleichen ersten Rand 106 nach außen erstrecken. In dem veranschaulichten Beispiel sind die Anschlüsse 130, 140 an zwei Rändern vorgesehen. Bei alternativen Ausführungsformen können die Anschlüsse an allen vier Rändern eines im Wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Spritzguss-Körpers 102 vorgesehen sein. Des Weiteren müssen die Anschlüsse nicht gerade sein, sondern können eine Krümmung aufweisen. 1 veranschaulicht, dass einige der Hochspannungsanschlüsse 140 gebogene Anschlüsse 146 sind, wobei sich das distale Ende 144 des gebogenen Anschlusses 146 in einer anderen Richtung, zum Beispiel im Wesentlichen senkrecht, in dem Beispiel in der z-Richtung, zu dem Ende des gebogenen Anschlusses 146 neben dem Rand 106 des Spritzguss-Körpers erstreckt.
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Rein beispielhaft veranschaulicht 1 ein Design mit einem Paar Niederspannungsanschlüssen 130 und einer Anzahl von Hochspannungsanschlüssen 140. Bei einem einzigen FET-Transistor können die Hochspannungsanschlüsse die Source, den Drain und das Gate beinhalten, und weitere Anschlüsse wie beispielsweise Sense-Anschlüsse, die nicht von solchen Anschlüssen isoliert sind, und Niederspannungsanschlüsse können zum Beispiel Anschlüsse beinhalten, die mit einem Temperatursensor verbunden sind. Im Falle von IGBTs oder bipolaren Transistoren gilt das Gleiche, wobei Source, Gate und Drain, wie angemessen, durch Emitter, Basis bzw. Kollektor ersetzt sind.
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Die folgende Besprechung konzentriert sich auf die Niederspannungsanschlüsse 130 und die Hochspannungsanschlüsse 140, die an einem ersten Rand 106 vorgesehen sind.
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Die Kriechstrecke wird entlang dem festen Spritzguss-Körper 102 gemessen, d. h., die Kriechstrecke ist die Länge des kürzesten Wegs zwischen den Eintrittspunkten 132, 142 der Anschlüsse in den Spritzguss-Körper entlang der Oberfläche des Spritzguss-Körpers. Eine Kriechstrecke von nur beispielsweise 8,5 mm ist zwischen den Hochspannungsanschlüssen 140 und dem metallischen Gebiet 108, das sich auf Masse befinden kann und/oder das direkt mit einem geerdeten Kühlkörper verbunden sein kann, vorgesehen.
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Zwischen Paaren benachbarter Hochspannungsanschlüsse kann eine andere Kriechstrecke c1, in dem Beispiel 4,25 mm, erforderlich sein. Der Fachmann wird erkennen, dass in Abhängigkeit von der Nennspannung des Moduls 100, der Verunreinigungsklasse und anderer Faktoren viele alternative Kriechwerte erforderlich sein können.
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Um adäquate Kriechstrecken zu gewährleisten, weist der erste Rand 106 des Moduls Einkerbungen 110, 112 auf. Die Einkerbungen 110, 112 haben bei der Ausführungsform eine halbkreisförmige Form. Die Einkerbung 112 ist zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen 140 vorgesehen. Die Einkerbungen 110 sind auch zwischen benachbarten Paaren Hochspannungsanschlüssen vorgesehen. Auf diese Weise kann die laterale Entfernung d1 zwischen benachbarten Stiften geringer sein, beispielsweise 6 mm betragen, während immer noch eine erforderliche Kriechstrecke von zum Beispiel 8,5 mm aufrechterhalten wird. Einkerbungen müssen nicht zwischen allen benachbarten Paaren Anschlüssen vorgesehen sein. Einige Anschlüsse können im Gebrauch auf der gleichen oder einer ähnlichen Spannung liegen, was bedeutet, dass keine Einkerbung erforderlich ist. Des Weiteren können einige Anschlüsse weit genug auseinanderliegen, so dass die erforderliche Kriechstrecke erhalten werden kann, ohne dass eine Einkerbung nötig ist.
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Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass der erste Rand 106 des Moduls 100 an einer Ecke 150 eine Einkerbung oder einen Absatz 152 aufweist, so dass der erste Rand 106 im Bereich von mindestens einem der Niederspannungsanschlüsse 130 näher an dem mittleren metallischen Gebiet 108 liegt. Insbesondere ist der Absatz 152 zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen 140 vorgesehen. Auf diese Weise kann die erforderliche Kriechstrecke zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen 140 mit einer geringeren in der x-Richtung zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen 140 gemessenen lateralen Entfernung d vorgesehen sein, als ansonsten erforderlich wäre.
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Ohne sowohl die Einkerbung 110 als auch den Absatz 152 müsste die laterale Entfernung d zum Beispiel gleich der Mindestkriechstrecke, in dem Beispiel 8,5 mm, sein. Die Verwendung der Einkerbung kann die laterale Entfernung d auf zum Beispiel 6 mm reduzieren. Indem zusätzlich einen Absatz 152 verwendet wird, kann die laterale Entfernung d in dem Beispiel auf nur 4 mm reduziert werden, während die entlang dem Außenrand 106 des Moduls 100, d. h. entlang der halbkreisförmigen Einkerbung 112 und dem Absatz 152, gemessene Kriechstrecke 8,5 mm zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen 140 aufrechterhalten wird.
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Somit kann durch Verwendung der Erfindung die in der parallel zu der Richtung des ersten Rands 106 verlaufenden Richtung an den Hochspannungsanschlüssen zwischen den Niederspannungsanschlüssen 130 und den Hochspannungsanschlüssen gemessene laterale Entfernung d reduziert werden.
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Auf diese Weise sind an dem Modul 110 für eine gegebene Modulgröße mehr Stifte möglich, ohne auf irgendeine Weise die Grundfläche des Moduls zu vergrößern.
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Alternativ oder zusätzlich kann die reduzierte Entfernung d gestatten, dass die Stifte 130 weiter voneinander beabstandet sind und/oder die Stifte 140 weiter voneinander beabstandet sind, was eine verbesserte Toleranz gegenüber hohen Spannungen wieder ohne Vergrößern der Grundfläche des Moduls gestatten kann.
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Obgleich sich die Besprechung in den vorhergehenden Absätzen auf das Bereitstellen eines Absatzes entlang einem einzigen ersten Rand konzentriert, wird der Fachmann realisieren, dass ähnliche Schritte entlang mehreren Rändern des Spritzguss-Körpers 102 bereitgestellt werden können.
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BEISPIELE
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Im Folgenden werden Leistungselektronikmodule sowie ein Verfahren zur Herstellung von Leistungselektronikmodulen unter Verwendung von speziellen Beispielen weiter beschrieben.
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Beispiel 1 ist ein Leistungselektronikmodul, das Folgendes umfasst:
- einen Spritzguss-Körper 102 mit einer Oberseite 104 und mehreren Rändern 106 um die Oberseite 104 herum;
- ein metallisches Pad 108 auf der Oberseite 104;
- mehrere Hochspannungsanschlüsse 140, die sich von einem ersten Rand 106 nach außen erstrecken, wobei der erste Rand einer mehrerer Ränder ist, wobei die Hochspannungsanschlüsse 140 an ihrem Eintrittspunkt 142 in den Spritzguss-Körper 102 um mindestens eine Kriechstrecke c von dem metallischen Pad 108 beabstandet sind;
- mindestens einen Niederspannungsanschluss 130, der lateral von den mehreren Niederspannungsanschlüssen beabstandet ist;
- wobei der erste Rand 106 einen Absatz 152 in dem Spritzguss-Körper 102 zwischen den Hochspannungsanschlüssen 140 und dem mindestens einen Niederspannungsanschluss 130 definiert, derart, dass der laterale Abstand d zwischen dem mindestens einen Niederspannungsanschluss 130 und dem metallischen Pad 108 weniger als die Kriechstrecke beträgt, und derart, dass die entlang der festen Oberfläche des Spritzguss-Körpers 102 zwischen den Eintrittspunkten 142, 132 der Hochspannungsanschlüsse 140 und des mindestens einen Niederspannungsanschlusses 130 gemessene Entfernung mindestens die Kriechstrecke c ist.
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Beispiel 2 ist das Leistungselektronikmodul von Beispiel 1, ferner umfassend: mindestens eine Einkerbung 112 in dem ersten Rand 106 zwischen den Hochspannungsanschlüssen 140 und dem mindestens einen Niederspannungsanschluss 130.
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Beispiel 3 ist das Leistungselektronikmodul von Beispiel 1 oder 2, ferner umfassend mindestens eine Einkerbung 110 im ersten Rand 106 zwischen mindestens einem Paar benachbarter Hochspannungsanschlüsse 140.
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Beispiel 4 ist das Leistungselektronikmodul von Beispiel 1, 2 oder 3, wobei das Leistungselektronikmodul 102 ein doppelseitig gekühltes Spritzguss-Modul ist.
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Beispiel 5 ist das Leistungselektronikmodul von Beispiel 1, 2, 3 oder 4, wobei das metallische Pad 108 mit einem Kühlkörper verbunden ist.
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Beispiel 6 ist ein Leistungselektronikmodul von Beispiel 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der mindestens eine Niederspannungsanschluss an einer Ecke des Spritzguss-Körpers angeordnet ist.
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Obgleich die Offenbarung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Implementierungen veranschaulicht und beschrieben worden ist, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne von dem Wesen und Schutzumfang der angehängten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Bauelemente, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten Funktionen sollen die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, wenn nicht anders angegeben, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezielle Funktion der beschriebenen Komponente durchführt (die zum Beispiel funktionell äquivalent ist), obgleich sie strukturell nicht mit der offenbarten Struktur äquivalent ist, die in den hierin dargestellten beispielhaften Implementierungen der Offenbarung die Funktion durchführt.
