Leistungsschalter breakers
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a circuit breaker according to the preamble of the main claim.
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.In particular for automotive applications, circuit breakers are sought that can safely switch the high currents that flow, for example, when starting an engine, in the smallest possible space. Up to now, circuit breakers have been used for this purpose, which are attached to a base plate or a heat sink via an intermediate substrate. Internal connections are made with so-called bond wires. A plastic housing houses connections with which the module connects to external cables.
Der eigentliche Halbleiterbaustein ist dabei von einem Silikon-Gel bedeckt, um die empfindlichen Halbleiterschaltungen zusätzlich zu schützen und intern die elektrische Isolation sicherzustellen.The actual semiconductor component is covered by a silicone gel to additionally protect the sensitive semiconductor circuits and to ensure the electrical insulation internally.
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.In this procedure according to the prior art, it must be ensured in particular that the often considerably generated waste heat can be dissipated well and, on the other hand, the switches are protected from the often harsh environmental conditions as well as from a potentially hazardous operation, since both currents and voltages are very high can be high.
Üblicherweise werden die Substrate mit einem DGB- 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.The substrates are usually produced using a DGB process (direct copper bonding) on a copper plate or using the IMS process (insulated metal substrates) on an insulated substrate. Thermal contact with the surroundings is established via these substrates, so that the heat can be dissipated.
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.Since both methods have to do this via intermediate electrical insulators that are only in thermal contact with a conductive material, several problems arise. In the DCB substrate, in which two copper layers are separated by a ceramic layer, the ceramic layer acts as an electrical insulator but at the same time be thermally conductive, the electrical circuits being implemented on the upper copper layer.
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.At IMS, instead of ceramic, there is a polymer-glass fiber layer between two applied metal layers. The metallization of the line layer must allow soldering and at the same time the bonding of lines in order to be able to fasten the semiconductor devices thereon.
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.Both substrates mentioned are attached to base plates or heat sinks in housings. With larger voltages and currents, these housings become more than palm-sized and have a large number of mechanical parts that restrict functionality.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kleinen Leistungsschalter zu schaffen, der dennoch auch bei hohen Strömen seine Wärme gut abfuhren kann.The invention is based on the object of creating a circuit breaker which is as small as possible and which can nevertheless dissipate its heat well even at high currents.
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.According to the invention this is solved by a circuit breaker with the features of the main claim. In particular, it is advantageous that the heat can be dissipated into the cable via the two solid printed circuit boards, and thus over a larger area into the insulation materials surrounding the metallic conductor.
Die Halbleiter, bestehnd 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.The semiconductors, consisting of silicon, are mounted directly onto one of the two solid copper conductor tracks, preferably soldered, without electrically insulating substrates. With this direct assembly, the thermal resistance between the semiconductor and the copper conductor is now only formed by the solder layer and drastically reduced. The copper conductor track also takes on the function of heat spreading and the primary heat sink.
Durch den großen Leitungsquerschnitt kann ein sehr großer Strom übertragen werden, was bei herkömmlichen DGB- 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 thermale Verhältnisse als bei der DGB oder IMS- Technologie erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die dielektrische Schicht (Fig. 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 Ausfuhrungsbeispiel 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.Due to the large cable cross section, a very large current can be transmitted, which would not be possible with conventional DGB or IMS technologies. The fact that a dielectric layer, which is usually between the semiconductor device and the bottom section of the power module, is now placed between two heat-dissipating metal plates, significantly better thermal conditions are achieved than with DGB or IMS technology. In a preferred embodiment, the dielectric layer (FIG. 3) can be laminated between the two copper parts, with a correspondingly high pressure being applied at elevated temperature. The typical thickness of such a dielectric layer is 75 to 200 μm. However, the thermal resistance of the dielectric in this exemplary embodiment is not added to the measured thermal resistance, since the thin dielectric transfers the heat from the lower copper part to the upper copper part and thus distributes the heat more evenly over the module.
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.In this way, both the upper and lower copper part can act as heat sinks. The upper copper part is part of the component carrier and at the same time part of the electrical circuit that holds the bond wires and is used as one of the two main power lines of the power module. A plastic part, which is placed as a frame on the upper copper part, serves as a fastening for a number of pins and forms part of the module housing.
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.An area separated in potential from the rest of the circuit can also be implemented as a low-voltage module together on one of the cooling plates, an electrically insulating printed circuit board (DCB substrate) then being preferred for this potential-separated area for thermal reasons. This extended functionality can be used, for example, for a voltage converter from 12 to 24 volts or the like.
Die in einem solchen Modul eingesetzten Baulemente müssen ebenfalls gekühlt werden, besitzen jedoch komplexere Verdrahtung als einfach parallel geschaltete Bauelemente. Zusätzliche Kontaktpins zur Kontaktierung der Außenwelt (eine übliche Epoxidharzleiterplatte mit Steuerelektronik) trägt zum Beispiel ein erweiterter Kunststoffrahmen.The components used in such a module must also be cooled, but have more complex wiring than components connected in parallel. An extended plastic frame, for example, carries additional contact pins for contacting the outside world (a common epoxy resin circuit board with control electronics).
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, hindurchgefühlt 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.
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.A plastic frame, which preferably forms a housing with a cover, is preferably provided with projections provided on the bottom side which correspond to the corner holes of the upper and lower copper parts and are felt through them and the dielectric, which likewise has such recesses. These projections ensure that optional additional screws for connecting the two circuit boards and for holding the housing do not cause a short circuit by touching both the upper and the lower copper circuit boards. In order to increase the electrically secure mounting of a screw, metal sleeves can also be incorporated into these projections, which are insulated from the outside, so that the mechanically sometimes sharp threading of the screws is prevented from severing the plastic.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus bevorzugten Ausfüh- rungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt :Further features and advantages of the invention result from preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawing. It shows:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Leistungsschalters,1 is a schematic perspective view of the circuit breaker according to the invention,
Fig. 2 die untere Leiterplatte,2 the lower circuit board,
Fig. 3 das Dielektrikum,3 the dielectric,
Fig. 4 die obere Leiterplatte,4 the upper circuit board,
Fig. 5 den Plastikrahmen mit Stiften,5 the plastic frame with pins,
Fig. 6 einen Schnitt durch einen Teil des Moduls,6 shows a section through part of the module,
Fig. 7 das Modul ohne Deckel,7 the module without cover,
Fig. 8 das Modul mit Deckel,8 the module with cover,
Fig. 9 eine weitere Ausführung mit einem integrierten Niederspannungsmodul, undFig. 9 shows another embodiment with an integrated low-voltage module, and
Fig. 10 eine Ausführung mit einer Zwischenschicht.10 shows an embodiment with an intermediate layer.
Die Fig. 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.1 shows an upper copper plate, the large recess at the end of the tongue being used to fasten a strong power cable or a corresponding conductor tongue. Due to the large cross-section of the copper plate, a substantial part of the heat is dissipated through the copper plate (transported away from the place of origin) and absorbed by the cable, which slowly heats up over longer distances, whereby the cable or the like will act as a heat sink.
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 War-
mesenke bieten zu können. Genau das kann ein langes gut wärmeleitendes Kabel aus Kupfer auch bei verstecktem (isolierten) Einbau in einem Kfz sein.Since the circuit breaker can, for example, be designed so that it heats up during the entire forward operation, in the case of an application in an immobilizer, that is to say when the vehicle is in operation, it is important to also maintain a to be able to offer mesenke. This is exactly what a long, good heat-conducting copper cable can be, even when it is hidden (insulated) installed in a motor vehicle.
Die Eckbohrungen 28 in der oberen Kupferplatte 10 in der Fig. 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 rechtek- kigen Ausstanzungen 12 sind gegenüber denen 13 des darunter zu liegen kommenden Dielektrikums 18 (Fig. 3) ein wenig größer, so daß die Ränder der Ausstanzungen 12 gegenüber der darunterliegenden Kupferplatte 14 (Fig. 4) durch eine horizontale Überlappung des Dielektrikums 18 zusätzlich beabstandet sind.The corner bores 28 in the upper copper plate 10 in FIG. 2 serve for fastening on a chassis or a further heat sink, wherein further holes can be provided for aligning the parts during the lamination process. The rectangular cutouts 12 are slightly larger than those 13 of the dielectric 18 to be located below (FIG. 3), so that the edges of the cutouts 12 relative to the underlying copper plate 14 (FIG. 4) due to a horizontal overlap of the dielectric 18 are additionally spaced.
Dies verringert die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den beiden Kupferteilen. Das Dielektrikum wiederum ist mit Ausnehmungen versehen, die ein Ausrichten während des Laminierprozesses erlauben.This reduces the risk of short circuits between the two copper parts. The dielectric in turn is provided with recesses that allow alignment during the lamination process.
In der Fig. 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.5 shows the plastic frame 26 with pins 24, in the present case a so-called 'insert-molded bondable frame'. The metallic, protruding pins serve for the electrical connection of the module to the outside world.
In der Fig. 6 wird im Schnitt dargestellt, wie von diesen metallischen Stiften 24 Bond- drähte 22 auf die Leistungshalbleiter über etwas längere Drähte als die Leistungsbonddrähte 20 elektrisch verbunden werden.6 shows in section how these metallic pins 24 bond wires 22 are electrically connected to the power semiconductors via somewhat longer wires than the power bonding wires 20.
In der Fig. 7 wird eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung ohne und in Fig. 8 mit einem ggf. nach einem vorherigen Vergießen aufgesetzten Deckel 42 auf den Rahmen 26 dargestellt.FIG. 7 shows a representation corresponding to FIG. 1 without and in FIG. 8 with a cover 42 possibly placed on the frame 26 after a previous casting.
In Fig. 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.Finally, in FIG. 9, a low-voltage module 40, separated in potential from the rest of the circuit, together with the connection of the power semiconductors of the circuit breaker on one of the cooling plates 10; 14 have been realized. It is applied to an electrically insulating DCB substrate that is present in this added area.
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.
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.The structural elements 34 used in such a module are now also cooled, additional contact pins 36 for contacting the outside world being provided in an expanded plastic frame 26. If necessary, a metallic intermediate layer can be used while preserving the advantages of direct mounting according to the invention, which consists, for example, of a copper-tungsten alloy and thus has a thermal conductivity of approximately 230 W / mK compared to the thermal conductivity of only approximately 25 W / mK an electrically insulating intermediate layer made of aluminum oxide (commercially available ceramic circuit board).
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 Dehnungen (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.The power module is exposed to fluctuating operating conditions due to operation and external temperature changes. The semiconductors with loss lines run through the larger temperature differences during operation. The layer structure, consisting of semiconductor and copper plate (copper conductor track) connected by a solder layer, has different thermal expansions (silicon approx.3.5 ppm / K, solder depending on the alloy approx. 20 ppm / K and the copper plate approx. 18 ppm / K). When the temperature changes, mechanical tensions between the layers, which are compensated for by creeping of the solder, but which never completely recede, relax. In extreme cases, the mechanical stresses can destroy the semiconductor.
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.This can be avoided by introducing a compensation through the metallic intermediate layer, this layer having a thermal expansion of approximately 6-12 ppm / k, that is to say between the thermal expansion values of silicon and copper. In addition, according to the preceding explanations, the compensating layer should not have an electrically insulating effect; on the contrary, sufficient electrical conductivity is assumed. Z. B. the metals molybdenum, tungsten or alloys of copper with tungsten or molybdenum.
Die in der Fig. 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.
The intermediate layer 44 shown in FIG. 10 between the semiconductor 46 and the copper plate 48 inserted through two solder layers 50 ensures such a low-stress layer structure. The semiconductor is soldered onto the compensation layer and the compensation layer onto the copper plate. To reduce the thermomechanical stress, it is sufficient to place a plate-like intermediate layer the size of the semiconductor dimension and at least 10% enlargement exclusively or for each semiconductor. The enlargement of the intermediate layer compared to the semiconductor causes the solder layer under the semiconductor to form a meniscus after the soldering process, the thickness of the intermediate layer being between 0.1 mm and 1 mm.