WO2011095406A1 - Leistungsmodul mit einer schaltungsanordnung, elektrische/elektronische schaltungsanordnung, verfahren zur herstellung eines leistungsmoduls - Google Patents

Leistungsmodul mit einer schaltungsanordnung, elektrische/elektronische schaltungsanordnung, verfahren zur herstellung eines leistungsmoduls Download PDF

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power module
substrate
heat sink
ceramic
power
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PCT/EP2011/050894
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Erik Sueske
Stefan Keil
Matthias Leonhardt
Joachim Loeblein
Antje Winkelmann
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Power module with a circuit arrangement, electrical / electronic circuit arrangement, method for producing a power module
  • the invention relates to a power module having a circuit arrangement which comprises at least one power element arranged on a substrate, wherein the circuit arrangement is housed at least in regions through a mold housing.
  • the invention relates to a power device with a power module and a cooler, wherein the power module has a substrate carrying at least one power element, which is arranged with the interposition of a heat sink to the cooler.
  • the invention relates to a method for producing a power module, in particular as described above, in which a circuit arrangement comprising at least one power element arranged on a substrate is housed at least partially through a mold housing.
  • Power modules, power devices, and methods of making power modules are known in the art.
  • the use of power electronics is often viewed as an answer to global warming due to the energy savings potential.
  • Power electronics can be used in a wide variety of applications.
  • the big challenge of power electronics is the dissipation of decaying energy loss.
  • Today's power modules provide for the use of suitable substrates, such as DBC substrates (Direct-Bonded Copper Substrate), which by means of a skilletleitmediums be mounted on a radiator to form a power device.
  • DBC substrates Direct-Bonded Copper Substrate
  • This heat-conducting medium, which forms a heat sink for the power module is a highly elastic silicone-based adhesive bond.
  • the circuit arrangement and the power elements arranged thereon are housed at least in regions by a so-called mold housing.
  • the mold housings are cast or injected around the circuit arrangement.
  • the power module according to the invention is characterized in that the substrate is associated with a heat sink part of a metal-ceramic composite material with a ceramic portion which increases in the direction of the substrate. It is therefore provided a heat sink, which also housed by the mold housing and thus held on the power module or has become part of the power module.
  • the heat sink is designed in such a way that it consists of a metal-ceramic composite material and has a varying proportion of ceramic.
  • the ceramic portion of the heat sink increases in the direction of the substrate, so that in the vicinity of the substrate, the heat sink the highest Ke- ramikgehalt and removed from the substrate has little or no ceramic content. In the simplest case, the heat sink only two areas with different ceramic content.
  • a heat sink which comprises a first region with a metal content of 100% and a second region with a lower metal content and a correspondingly higher ceramic content.
  • the ceramic portion of the heat sink in the direction of the substrate increases in steps, with only one stage is provided. Due to the advantageous graded course of the ceramic content in the heat sink, an optimal adaptation of the expansion coefficients between the cooler and the circuit arrangement can be realized.
  • a significant advantage is that the heat sink can be directly connected to the substrate, without the otherwise necessary layer of a highly elastic adhesive bond, for example, based on silicone.
  • the thermal conductivity of the heat sink is essentially determined by the thermal conductivity of the metal used.
  • the heat sink By partially miteinhausen the heat sink, this becomes an integral part of the power module, whereby the latter can be particularly easily arranged on a heat sink or on a cooler for the circuit arrangement.
  • the power module can thus also be easily arranged on coolers which have a liquid cooling medium. In this case, it is possible to dip the heat sink directly into the cooling medium. As a result of the heat sink sinking in, the power module is overall dense and offers high reliability. Due to the high media corrosion resistance of the metal-ceramic composite, both aqueous based cooling media and cooling oils / fats can be used.
  • the proportion of ceramic increases continuously or in a stepped manner in the direction of the substrate, while the proportion of metal advantageously decreases continuously or in steps correspondingly in the direction of the substrate.
  • the side of the heat sink facing away from the substrate has a metal content of 100% and / or the side of the heat sink facing the substrate has a ceramic content of 100%.
  • a graded transition from a purely ceramic region to a purely metallic Realize area for example, 0%, 30%, 60% and 100% metal content
  • the purely metallic area is assigned to a cooler
  • the purely ceramic area is assigned to the substrate of the circuit arrangement.
  • the power module thus simultaneously provides good cooling of the circuit arrangement as well as an adaptation of the expansion coefficients between the cooler and the circuit arrangement.
  • the heat sink on its side facing away from the substrate at least one cooling fin.
  • the cooling fin promotes the cooling of the circuit arrangement by the enlarged contact area between the cooling medium and the heat sink.
  • the ceramic component aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide and / or other comparable materials are advantageously provided.
  • metal portion copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys and / or other comparable materials are advantageously provided.
  • the heat sink forms the substrate of the circuit arrangement.
  • a purely ceramic region of the heat sink forms the substrate on which the power elements are arranged, for example with the interposition of copper-containing conductor tracks in particular.
  • the purely ceramic region of the heat sink expediently forms a cover layer or a substrate with high electrical breakdown strength (insulation).
  • the topcoat is optionally sintered prior to infiltration of a porous ceramic preform with molten metal, or sintered with an already fully infiltrated metal preform.
  • the power device is characterized by the design of the power module as described above. In this case, the power module is arranged directly with the heat sink on the radiator to ensure efficient Entwarmung the circuit, while thermal stresses due to the adaptation of the thermal expansion coefficients are kept low.
  • the cooler has a liquid cooling medium with which the heat sink is partially in direct contact.
  • the radiator has an opening through which the heat sink can be immersed into a channel of the radiator leading the cooling medium and thus into the cooling medium. If the heat sink has one or more cooling ribs on at least one of its free surfaces, that is to say not with its own surfaces facing away from the substrate, the heat dissipation can be further increased.
  • the inventive method for producing a power module is characterized in that the substrate is assigned a heat sink made of a metal-ceramic composite material having a ceramic component increasing in the direction of the substrate and a metal component decreasing in the direction of the substrate, wherein the heat sink is partially enclosed.
  • a power module is produced which is easy to handle and at the same time offers high reliability and efficient heat dissipation, in particular of the power elements of the circuit arrangement.
  • the power module thus produced offers high media resistance to relevant cooling media, such as oils / fats and / or water.
  • FIG. 1 shows a power device with an advantageous power module in a sectional view
  • FIG. 1 is a detail view of an embodiment of the power module.
  • the power module 2 comprises a circuit arrangement 4 which has a plurality of conductor tracks 6 arranged on a substrate 5, on which part power elements 7 are arranged with a connection layer 20 and are electrically connected to the conductor tracks 6.
  • the conductor tracks 6 are preferably copper conductor tracks, and the power elements 7 are preferably semiconductor components 8.
  • the power elements 7 are conventionally mounted by, for example, soldering or sintering methods.
  • the substrate 5 is made of ceramic and serves as a carrier for the circuit arrangement 4.
  • the substrate 5 rests on a heat sink 9, which in the present case has a T-shaped cross-section.
  • the heat sink 9 is made of a metal-ceramic
  • Composite material manufactured and has a graded course of metal and ceramic components such that close to the substrate 5, a high ceramic content and on the opposite side of the heat sink 9 a predominant metal content is present.
  • the heat sink 9 preferably has on its side facing the substrate 5 a ceramic proportion of 100% (metal content of
  • the course of the ceramic or metal component in the heat sink 9 is stepped.
  • a first region 11 on the side of the heat sink 9 facing away from the circuit arrangement 4 has a metal content of 100%.
  • the subsequent section 12 has a lower metal content, which is compensated by Keikamanmaschine.
  • the ceramic content increases and the metal content continues to decrease.
  • the course of material within the heat sink 9 now provides for a so-called back plate of up to 100% metal to be present on the side facing away from the substrate 5 and facing the substrate 5 Side a so-called base plate up to
  • the ceramic components are oxides, nitrides and / or carbides in question, preferably aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride and / or silicon carbide. Particularly suitable metals are copper and copper alloys as well as aluminum and aluminum alloys.
  • the heat sink 9 is formed from a ceramic starting material (preform) which consists of spherical particles or fibers.
  • the preform has a grading / grading in the porosity of the ceramic material that can be created by the measures described below, applicable individually or in combination.
  • the gradation can be created by negative-pressure molding of polyurethane foams of different densities by ceramic foams.
  • a graded slip-pressure filtration in which from two reservoirs with slurry of different composition, for example with respect to pore formers and / or grain sizes, a slurry form is filled, in particular continuously the ratio of the two slips is changed.
  • the production of a green body is then by means of Durckfiltri- on.
  • a green body with, for example, a gradient in the pore former content is obtained or a ceramic preform with a porosity gradient after a sintering process.
  • a grained / stepped powder pressing can take place in which powders of differing composition are doctored over one another in a die and then pressed, powder variations with respect to grain size and / or pore formers being possible. It is likewise conceivable to stack / laminate and sinter on green body panels which, given the same sintering conditions, result in different porosities due to variations in particle size and / or pore-forming agent proportion. It is also possible to make out ceramic plates of differing porosity, to stack them one over the other and to preferably re-sinter them for the purpose of the connection.
  • the preform thus obtained may advantageously have a porosity gradient of 0 vol% to 95 vol%, preferably from 0 vol% to 65 vol%, wherein this particularly preferably extends over a thickness of the desired later in the component baseplate thickness.
  • a layer of pure ceramic is advantageously produced in a thickness corresponding to a later insulator layer.
  • the molten metal is pressed under pressure into the open pores of the ceramic preform.
  • an encapsulation of the respective metal is obtained by a corresponding casting mold, which is then present in the heat sink as a purely metallic area with maximum thermal conductivity.
  • the region 1 1 has a metal content of 100%.
  • the region 14 closest to the substrate has only a small metal content of, for example, 15%, while the substrate 5 has a ceramic content of 100%.
  • the substrate 5 can be applied to the heat sink 9 as a separate element.
  • the substrate 5 is formed by a final region 15 of the heat sink 9, which has a ceramic content of 100%.
  • the conductor tracks 6 and the power elements 7 arranged thereon are thus arranged directly on the heat sink.
  • the power module 2 is enclosed in regions by a mold housing 16.
  • the mold housing 16 also extends over the sides of the heat sink 9, wherein the underside (s) of the heat sink 9, which faces the radiator 3 / are exposed.
  • a compact and easy-to-use power module 2 is formed, which is robust and powerful.
  • the radiator 3 forms a channel for a liquid cooling medium 17.
  • the radiator 3 At its (top) side facing the power module 2, the radiator 3 has an opening through which the free end face of the heat sink 9 in some areas in the radiator 3 and in the coolant 17 protruding leading channel.
  • the cooling medium can be an aqueous-based medium or else a cooling oil or
  • the heat sink 9 projects so far into the cooler 3, that it is in direct contact with the coolant 17 so that heat can be dissipated directly into the coolant 17 through the heat sink 9. Due to the high corrosion resistance of the metal-ceramic composite material 10, the function of the power device 1 can be ensured reliably even over a long period of time.
  • the advantageous power module 2 enables a particularly advantageous cooling of the circuit arrangement 4, due to the high thermal conductivity of the heat sink 9 and an optimizable connection technology.
  • thermal compounds or heat-conducting adhesives between the heat sink 9 and the circuit arrangement 4 can be dispensed with.
  • thermo-mechanical loads Due to the graded course of metal and ceramic part of the heat sink 9, a very good adaptation of thermal expansion coefficients within the power module 2 can be realized.
  • the construction ensures an optimal connection between insulator (substrate) and heat sink, with the significant advantage of missing connection layer.
  • insulator substrate
  • heat sink 9 By a high metal content in the heat sink 9 at the same time a good heat dissipation of the power electronics or the circuit 4 will be achieved.
  • thermo expansion coefficients within the stack By adjusting the thermal expansion coefficients within the stack, a significantly higher reliability with respect to thermo-mechanical loads is achieved compared to conventional power modules.
  • the high temperature stability of the materials of the heat sink 9 enables the use of high-temperature power semiconductor components as well as sintered and brazed joints with high mechanical stability.
  • the installation space can also be significantly reduced by reducing the semiconductor surfaces, the use of the advantageous heat sink 9 and the integrated ceramic insulator layer or the integrated substrate 5.
  • the insulation layer thicknesses can be minimized when using ceramics with high dielectric strength.
  • the mechanical stability is retained by the material-bonded metal-ceramic composite substrate 5.
  • Housing 16 is housed with an advantageous media resistance of the complete assembly (power module 2) is guaranteed against relevant cooling media.
  • the living of the power module 2 takes place by the so-called transfer Molden.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (2) mit einer Schaltungsanordnung (4), die mindestens ein auf einem Substrat (5) angeordnetes Leistungselement (7) umfasst, wobei die Schaltungsanordnung (4) zumindest bereichsweise durch ein Mold-Gehäuse (16) eingehaust ist. Dabei ist vorgesehen, dass dem Substrat (5) eine bereichsweise miteingehauste Wärmesenke (9) aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff (10) mit einem in Richtung des Substrats (5) zunehmenden Keramikanteil zugeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungseinrichtung (1). Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.

Description

Beschreibung Titel
Leistungsmodul mit einer Schaltungsanordnung, elektrische/elektronische Schaltungsanordnung, Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein auf einem Substrat angeordnetes Leistungselement umfasst, wobei die Schaltungsanordnung zumindest bereichsweise durch ein Mold- Gehäuse eingehaust ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungseinrichtung mit einem Leistungsmodul und einem Kühler, wobei das Leistungsmodul ein mindestens ein Leistungselement tragendes Substrat aufweist, das unter Zwischenschaltung einer Wärmesenke an dem Kühler angeordnet ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, insbesondere wie es oben beschrieben wurde, bei dem eine Schaltungsanordnung, die mindestens ein auf einem Substrat angeordnetes Leistungselement umfasst, zumindest bereichsweise durch ein Mold-Gehäuse eingehaust wird.
Stand der Technik
Leistungsmodule, Leistungseinrichtungen sowie Verfahren zur Herstellung von Leistungsmodulen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Einsatz von Leistungselektronik wird aufgrund der Energiesparpotenziale häufig als Antwort auf die globale Klimaerwärmung angesehen. Dabei kann Leistungselektronik in unterschiedlichsten Einsatzbereichen zur Anwendung gelangen. Die große Herausforderung der Leistungselektronik ist die Abführung der abfallenden Verlustenergie. Heutige Leistungsmodule sehen den Einsatz geeigneter Substrate vor, wie beispielsweise DBC-Substrate (Direct-Bonded-Copper-Substrat), die mittels eines Wärmeleitmediums auf einem Kühler montiert werden, um eine Leistungseinrichtung zu bilden. Bei diesem Wärmeleitmedium, das eine Wärmesenke für das Leistungsmodul bildet, handelt es sich um hochelastische Klebverbindungen auf Silikonbasis. Bei konventionellen Leistungsmodulen ist insbesondere der Un- terschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühler und dem Substrat die Ursache für versagensrelevante thermische Spannungen im Bauteil. Eine direkte Anbindung des Substrats oder der Schaltungsanordnung auf einen Kühler kann aufgrund der thermomechanischen Anforderungen bisher nicht realisiert werden. Aus den Druckschriften DE 10 2005 040 453 A1 und 10 2006 028 675 A1 sind beispielsweise Leistungsmodule bekannt, bei denen das Substrat in direktem Kontakt zu einer Kühlflüssigkeit steht. Ein gravierender Nachteil dieses Aufbaus liegt im Einsatz von Materialien mit eingeschränkter thermischer Leitfähigkeit beziehungsweise hohen thermischen Übergangswiderständen.
Bei bekannten Leistungsmodulen werden die Schaltungsanordnung sowie die darauf angeordneten Leistungselemente zumindest bereichsweise durch ein sogenanntes Mold-Gehäuse eingehaust. Bei der Herstellung werden die Mold- Gehäuse um die Schaltungsanordnung herum gegossen beziehungsweise ge- spritzt. Hierdurch werden die empfindlichen Leistungselemente sowie die übrige
Schaltungsanordnung und das Substrat vor äußeren Einflüssen geschützt und auf einfache Art und Weise eine kompakte Baugruppe, nämlich das Leistungsmodul, gebildet. Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul zeichnet sich dadurch aus, dass dem Substrat eine bereichsweise miteingehauste Wärmesenke aus einem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff mit einem in Richtung des Substrats zunehmenden Keramikanteil zugeordnet ist. Es ist also eine Wärmesenke vorgesehen, die ebenfalls durch das Mold-Gehäuse eingehaust und somit an dem Leistungsmodul gehalten beziehungsweise Bestandteil des Leistungsmoduls geworden ist. Die Wärmesenke ist dabei derart ausgebildet, dass sie aus einem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff besteht und einen variierenden Keramikanteil auf- weist. Der Keramikanteil der Wärmesenke nimmt dabei in Richtung des Substrats zu, sodass in der Nähe des Substrats die Wärmesenke den höchsten Ke- ramikgehalt und entfernt von dem Substrat nur einen geringen oder keinen Keramikgehalt aufweist. Im einfachsten Fall weist die Wärmesenke nur zwei Bereiche mit unterschiedlichem Keramikanteil auf. Insbesondere ist eine Wärmesenke denkbar, die einen ersten Bereich mit einem Metallanteil von 100% und einen zweiten Bereich mit einem geringeren Metallanteil und einem entsprechend höheren Keramikanteil umfasst. Hierbei nimmt der Keramikanteil der Wärmesenke in Richtung des Substrats stufenartig zu, wobei lediglich eine Stufe vorgesehen ist. Durch den vorteilhaften gradierten Verlauf des Keramikgehalts in der Wärmesenke lässt sich eine optimale Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühler und der Schaltungsanordnung realisieren. Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, dass die Wärmesenke direkt mit dem Substrat in Verbindung stehen kann, ohne die sonst notwendige Schicht einer hochelastischen Klebverbindung beispielsweise auf Silikonbasis. Die thermische Leitfähigkeit der Wärmesenke wird wesentlich durch die thermische Leitfähigkeit des verwendeten Metalls bestimmt. Je höher der Metallgehalt im Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gewählt wird, umso besser kann eine Entwärmung der Schaltungsanordnung erfolgen. Durch das bereichsweise Miteinhausen der Wärmesenke wird diese zu einem integrierten Bestandteil des Leistungsmoduls, wodurch letzteres besonders einfach an einem Kühlkörper beziehungsweise an einem Kühler für die Schaltungsanordnung angeordnet werden kann. Insbesondere lässt sich das Leistungsmodul somit auch problemlos an Kühlern anordnen, die ein flüssiges Kühlmedium aufweisen. Dabei ist es vorliegend möglich, die Wärmesenke direkt in das Kühlmedium einzutauchen. Durch das Ein-Molden der Wärmesenke ist das Leistungsmodul insgesamt dicht ausgebildet und bietet eine hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund der hohen Medien-Korrosionsbeständigkeit von dem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff können sowohl Kühlmedien auf wässriger Basis als auch Kühlöle/-fette verwendet werden.
Vorteilhafterweise nimmt der Keramikanteil in Richtung des Substrats kontinuierlich oder gestuft zu, während der Metallanteil vorteilhafterweise entsprechend in Richtung des Substrats kontinuierlich oder gestuft abnimmt.
Besonders bevorzugt weisen die dem Substrat abgewandte Seite der Wärmesenke einen Metallgehalt von 100 % und/oder die dem Substrat zugewandte Seite der Wärmesenke einen Keramikgehalt von 100 % auf. Somit lässt sich ein gradierter Übergang von einem rein keramischen Bereich zu einem rein metalli- sehen Bereich realisieren (beispielsweise 0 %, 30 %, 60 % und 100 % Metallanteil), wobei der rein metallische Bereich einem Kühler zuordenbar ist, während der rein keramische Bereich dem Substrat der Schaltungsanordnung zugeordnet ist. Das Leistungsmodul bietet somit gleichzeitig eine gute Entwärmung der Schaltungsanordnung sowie eine Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühler und der Schaltungsanordnung.
Vorteilhafterweise weist die Wärmesenke auf ihrer dem Substrat abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe auf. Insbesondere, wenn das Leistungsmodul an einem Kühler mit flüssigem Kühlmedium derart angeordnet wird beziehungsweise ist, dass die Wärmesenke bereichsweise in das Kühlmedium hineinragt, fördert die Kühlrippe die Entwärmung der Schaltungsanordnung durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Kühlmedium und der Wärmesenke.
Als Keramikanteil sind vorteilhafterweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und/oder andere vergleichbarer Materialien vorgesehen.
Als Metallanteil werden vorteilhafterweise Kupfer, Kupfer-Legierungen, Aluminium, Aluminium-Legierungen und/oder andere vergleichbare Materialien vorgesehen.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Wärmesenke das Substrat der Schaltungsanordnung bildet. Zweckmäßigerweise bildet ein rein keramischer Bereich der Wärmesenke das Substrat, auf welchem die Leistungselemente, beispielsweise unter Zwischenschaltung von insbesondere kupferhaltigen Leiterbahnen, angeordnet sind. Der rein keramische Bereich der Wärmesenke bildet zweckmäßigerweise eine Deckschicht beziehungsweise ein Substrat mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit (Isolation). Die Deckschicht wird wahlweise vor der Infiltration eines porösen keramischen Vorkörpers mit schmelzflüssigem Metall versin- tert oder über ein Sinterverfahren mit einem bereits vollständig infiltrierten Metall-
Keramik-Verbundwerkstoff verbunden. Durch das vorteilhafte Leistungsmodul kann nicht nur eine Erhöhung der Leistungsdichte erreicht werden, sondern aufgrund der geringen Temperaturbelastungen auch die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls gesteigert werden. Die Leistungseinrichtung zeichnet sich durch die Ausbildung des Leistungsmoduls wie es oben beschrieben wurde aus. Dabei ist das Leistungsmodul direkt mit der Wärmesenke auf dem Kühler angeordnet, um eine effiziente Entwarmung der Schaltungsanordnung zu gewährleisten, wobei gleichzeitig thermische Belastungen aufgrund der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten gering gehalten werden.
Vorteilhafterweise weist der Kühler ein flüssiges Kühlmedium auf, mit dem die Wärmesenke bereichsweise in direktem Kontakt steht. So weist der Kühler beispielsweise eine Öffnung auf, durch welche die Wärmesenke in einen das Kühlmedium führenden Kanal des Kühlers und damit in das Kühlmedium eintauchbar ist. Weist die Wärmesenke an zumindest einer ihren freien, also nicht mit einge- hausten dem Substrat abgewandten Oberflächen ein oder mehrere Kühlrippen auf, kann die Entwärmung weiter gesteigert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls zeichnet sich dadurch aus, dass dem Substrat eine Wärmesenke aus einem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff mit einem in Richtung des Substrats zunehmenden Keramikanteil und einem in Richtung des Substrats abnehmenden Metallanteil zugeordnet wird, wobei die Wärmesenke bereichsweise miteingehaust wird. Hierdurch wird ein Leistungsmodul hergestellt, das einfach zu handhaben ist und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine effiziente Entwärmung insbesondere der Leistungselemente der Schaltungsanordnung bietet. Weiterhin bietet das so hergestellte Leistungsmodul eine hohe Medienbeständigkeit gegen relevante Kühlmedien, wie beispielsweise Öle/Fette und/oder Wasser.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 eine Leistungseinrichtung mit einem vorteilhaften Leistungsmodul in einer Schnittdarstellung und
Figur 2 eine Detailansicht einer Ausführungsform des Leistungsmoduls. Die Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Leistungseinrichtung 1 , die ein Leistungsmodul 2 sowie einen Kühler 3 zum Abführen von Wärme des Leistungsmoduls 2 aufweist. Das Leistungsmodul 2 umfasst eine Schaltungsanordnung 4, die mehrere auf einem Substrat 5 angeordnete Leiterbahnen 6 aufweist, auf denen zum Teil Leistungselemente 7 mit einer Verbindungsschicht 20 angeordnet und elektrisch mit den Leiterbahnen 6 verbunden sind. Bei den Leiterbahnen 6 handelt es sich bevorzugt um Kupfer-Leiterbahnen, bei den Leistungselementen 7 vorteilhafterwei- se um Halbleiterbauteile 8. Die Leistungselemente 7 sind konventionell durch beispielsweise Löt- oder Sinterverfahren montiert. Das Substrat 5 ist aus Keramik gefertigt und dient als Träger für die Schaltungsanordnung 4.
Das Substrat 5 liegt auf einer Wärmesenke 9 auf, die vorliegend einen T- förmigen Querschnitt aufweist. Die Wärmesenke 9 ist aus einem Metall-Keramik-
Verbundwerkstoff (MMC) gefertigt und weist einen gradierten Verlauf von Metall- und Keramikanteilen derart auf, dass nahe zu dem Substrat 5 ein hoher Keramikanteil und auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmesenke 9 ein überwiegender Metallanteil vorliegt. Bevorzugt weist die Wärmesenke 9 an ihrer dem Substrat 5 zugewandten Seite einen Keramikanteil von 100 % (Metallanteil von
0 %) auf, während im Bereich der dem Substrat 5 abgewandten Seite ein Metallanteil von 100 % (Keramikanteil von 0 %) vorliegt.
Die Figur 2 zeigt hierzu einen vergrößerten Ausschnitt des Leistungsmoduls 2 in einer Schnittdarstellung. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Verlauf des Keramik- beziehungsweise Metallanteils in der Wärmesenke 9 gestuft ausgebildet. Dazu weist ein erster Bereich 1 1 auf der der Schaltungsanordnung 4 abgewandten Seite der Wärmesenke 9 einen Metallanteil von 100 % auf. Der darauffolgende Abschnitt 12 weist einen geringeren Metallanteil auf, der durch Ke- ramikanteile ausgeglichen wird. In dem sich daran anschließenden Bereich 13 nimmt der Keramikanteil zu und der Metallanteil weiter ab. Ebenso verhält es sich in dem sich daran anschließenden Bereich 14. Der Materialverlauf innerhalb der Wärmesenke 9 sieht nunmehr vor, dass an der von dem Substrat 5 abgewandten Seite eine sogenannte Back-Plate aus bis zu 100 % Metall vorliegt und an der dem Substrat 5 zugewandte Seite eine sogenannte Base-Plate aus bis zu
100 % Keramik. Als Keramikkomponenten kommen dabei Oxide, Nitride und/oder Carbide in Frage, bevorzugt Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid. Als Metalle kommen insbesondere Kupfer und Kupfer-Legierungen sowie Aluminium und Aluminium-Legierungen in Betracht. Die Wärmesenke 9 wird aus einer keramischen Ausgangsmasse (Pre- form/Vorkörper) gebildet, die aus sphärischen Partikeln oder Fasern besteht. Der Vorkörper weist eine Gradierung/Abstufung in der Porosität des keramischen Materials auf, die durch die untenstehend beschriebenen, einzeln oder auch in Kombination anwendbaren Maßnahmen erstellbar ist. So ist die Abstufung bei- spielsweise durch Negativabformung unterschiedlich dicht verpresster Polyurethan-Schäume durch Keramikschiicker erstellbar. Auch ist es denkbar, den Vorkörper durch eine gradierte Schlicker-Druckfiltration zu erstellen, bei der aus zwei Reservoirs mit Schlicker unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise bezüglich Porenbildner und/oder Korngrößen, eine Schlickerform befüllt wird, wobei insbesondere kontinuierlich das Verhältnis der beiden Schlicker verändert wird. Die Herstellung eines Grünkörpers erfolgt dann mittels Durckfiltrati- on. Im Ergebnis wird ein Grünkörper mit beispielsweise einem Gradient im Po- renbildneranteil erhalten beziehungsweise eine keramische Preform mit Porositätsgradient nach einem Sinterprozess. Alternativ oder zusätzlich kann eine gra- dierte/gestufte Pulverpressung erfolgen, bei der Pulver mit unterschiedlicher Zusammensetzung in eine Matrize übereinander eingerakelt und anschließend ver- presst wird, wobei Pulvervariationen bezüglich Korngröße und/oder Porenbildner möglich sind. Ebenso ist es denkbar, Grünkörperplatten, die bei gleichen Sinterbedingungen auf Grund von Variationen von Korngröße und/oder Porenbildner- anteil unterschiedliche Porositäten ergeben, übereinander zu stapeln/schichten und zu versintern. Auch können Keramikplatten mit unterschiedlicher Porosität ausgefertigt, übereinander geschichtet und zur Verbindung vorzugsweise nach- versintert werden. Schließlich ist es denkbar, in Foliengießtechnik keramische Schlicker mit unterschiedlicher Zusammensetzung, insbesondere in Bezug auf Korngröße und/oder Porenbildneranteil, übereinander zu gießen und anschließend zu versintern. Der so erhaltene Vorkörper kann vorteilhafterweise einen Porositätsgradienten von 0 vol% bis 95 vol%, bevorzugt von 0 vol% bis 65 vol% aufweisen, wobei dieser besonders bevorzugt maximal über eine Dicker der später im Bauteil erwünschten Baseplate-Dicke verläuft. Eine Schicht aus reiner Ke- ramik wird dabei vorteilhafterweise in einer Dicke, die einer späteren Isolatorschicht entspricht, angefertigt. In jedem Fall wird anschließend der Vorkörper mit dem gewünschten (geschmolzenen) Metall infiltriert, bevorzugt druckunterstützt infiltriert, beispielsweise mittels Gasdruckinfiltration oder dem so genannten Squeeze Casting (Pressgießen). Bei dem Infiltrieren wird das erschmolzene Metall unter Druck in die offenen Poren des Keramik-Vorkörpers gepresst. Über die Größe des keramischen Vorkörpers hinaus wird durch eine entsprechende Gussform ein Umguss aus dem betreffenden Metall erhalten, der dann in der Wärmesenke als rein metallischer Bereich mit maximaler Wärmeleitfähigkeit vorliegt.
Vorliegend weist somit der Bereich 1 1 einen Metallanteil von 100 % auf. Der dem Substrat am nächsten liegende Bereich 14 weist nur noch einen geringen Metallanteil von beispielsweise 15 % auf, während das Substrat 5 einen Keramikanteil von 100 % aufweist. Wie in der Figur 1 dargestellt, kann das Substrat 5 dabei als separates Element auf die Wärmesenke 9 aufgebracht werden. Alternativ, wie in der Figur 2 dargestellt, wird das Substrat 5 durch einen abschließenden Bereich 15 der Wärmesenke 9 gebildet, der einen Keramikanteil von 100 % aufweist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind somit die Leiterbahnen 6 und die darauf angeordneten Leistungselemente 7 direkt auf der Wärmesenke angeordnet.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, ist das Leistungsmodul 2 bereichsweise durch ein Mold-Gehäuse 16 eingehaust. Das Mold-Gehäuse 16 erstreckt sich dabei auch über die Seiten der Wärmesenke 9, wobei die Unterseite(n) der Wärmesenke 9, die dem Kühler 3 zugewandt ist/sind, freiliegen. Durch das Elnhausen der Schaltungsanordnung 4 sowie der Wärmesenke 9 wird ein kompaktes und einfach zu handhabendes Leistungsmodul 2 gebildet, das robust und leistungsfähig ist. Vorteilhafterweise sind zwischen dem Leistungsmodul 2 und dem Kühler 3 noch Dichtelemente 18, beispielsweise in Form eines O-Rings 19, vorgesehen, um ein Austreten von Kühlflüssigkeit zu vermeiden.
Der Kühler 3 bildet einen Kanal für ein flüssiges Kühlmedium 17. An seiner dem Leistungsmodul 2 zugewandten (Ober-) Seite weist der Kühler 3 eine Öffnung auf, durch die die freie Stirnseite der Wärmesenke 9 bereichsweise in den Kühler 3 und in den das Kühlmittel 17 führenden Kanal hineinragt. Bei dem Kühlmedium kann es sich um ein Medium auf wässriger Basis oder auch um ein Kühlöl oder
Kühlfett handeln. Bevorzugt ragt die Wärmesenke 9 derart weit in den Kühler 3, dass sie mit dem Kühlmittel 17 direkt in Kontakt steht, sodass durch die Wärmesenke 9 Wärme direkt in das Kühlmittel 17 abgeführt werden kann. Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit des Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs 10 kann die Funktion der Leistungseinrichtung 1 auch über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig gewährleistet werden. Das vorteilhafte Leistungsmodul 2 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Entwärmung der Schaltungsanordnung 4, aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der Wärmesenke 9 sowie einer optimierbaren Aufbau-Verbindungstechnik. Insbesondere kann aufgrund der vorliegenden Ausbildung auf Wärmeleitpasten oder Wärmeleitklebstoffe zwischen der Wärme- senke 9 und der Schaltungsanordnung 4 verzichtet werden. Durch den gradierten Verlauf von Metall- und Keramikanteil der Wärmesenke 9 lässt sich eine sehr gute Anpassung von Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des Leistungsmoduls 2 realisieren. Der Aufbau gewährleistet dabei eine optimale Verbindung zwischen Isolator (Substrat) und Wärmesenke, mit dem wesentlichen Vorteil der fehlenden Verbindungsschicht. Durch einen hohen Metallgehalt in der Wärmesenke 9 kann gleichzeitig eine gute Entwärmung der Leistungselektronik beziehungsweise der Schaltungsanordnung 4 erreicht werde. Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Stacks wird im Vergleich zu konventionellen Leistungsmodulen eine signifikant höhere Zuverlässig- keit bezüglich thermomechanischer Belastungen erzielt. Die hohe Temperaturstabilität der Werkstoffe der Wärmesenke 9 ermöglicht den Einsatz von Hochtemperatur-Leistungshalbleiterbauelementen sowie Sinter- und Hartlotverbindungen mit hoher mechanischer Stabilität. Durch die sehr gute Ableitung thermischer Verlustleistung werden besonders hohe Leistungsdichten ermöglicht, mit dem Vorteil eines Einsparpotenzials beim Halbleitermaterial einerseits und einer steigenden Zuverlässigkeit aufgrund der reduzierten absoluten Differenzen in der thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien andererseits. Zusätzlich kann auch der Bauraum merklich reduziert werden, durch Reduktion der Halbleiterflächen, die Verwendung der vorteilhaften Wärmesenke 9 und der integrierten keramischen Isolatorschicht beziehungsweise des integrierten Substrats 5. Auch können die Isolationsschichtdicken bei Verwendung von Keramiken mit hoher Durchschlagfestigkeit minimiert werden. Die mechanische Stabilität bleibt hierbei durch das stoffschlüssig verbundene Metall-Keramik-Verbundwerkstoff-Substrat 5 erhalten. Durch Vorsehen von hier nicht näher dargestellten Kühlrippen auf der Unterseite der Wärmesenke 9, können die Grenzflächengeometrien zwischen der Wärmesenke 9 und dem Kühlmedium vergrößert werden, um die Entwärmung beziehungsweise Kühlung der Schaltungsanordnung 4 zu verbessern. Dadurch, dass die Wärmesenke 9 als Bestandteil des Leistungsmoduls 2 durch das Mold-
Gehäuse 16 mit eingehaust ist, wird eine vorteilhafte Medienbeständigkeit der kompletten Baugruppe (Leistungsmodul 2) gegen relevante Kühlmedien gewährleistet. Bevorzugt erfolgt das Elnhausen des Leistungsmoduls 2 durch das sogenannte Transfer-Molden.

Claims

Ansprüche
1 . Leistungsmodul (2) mit einer Schaltungsanordnung (4), die mindestens ein auf einem Substrat (5) angeordnetes Leistungselement (7) umfasst, wobei die Schaltungsanordnung (4) zumindest bereichsweise durch ein Mold- Gehäuse (16) eingehaust ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Substrat (5) eine bereichsweise miteingehauste Wärmesenke (9) aus einem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff (10) mit einem in Richtung des Substrats (5) zunehmenden Keramikanteil zugeordnet ist.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikanteil kontinuierlich oder gestuft zunimmt.
3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Substrat (5) abgewandte Seite der Wärmesenke (9) einen Metallanteil von 100 % und/oder die dem Substrat (5) zugewandte Seite der Wärmesenke (9) einen Keramikanteil von 100 % aufweisen.
4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (9) auf ihrer dem Substrat (5) abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe aufweist.
5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikanteil Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid vorgesehen ist.
6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallanteil Kupfer, mindestens eine Kupfer- Legierung, Aluminium und/oder mindestens eine Aluminium-Legierung vorgesehen sind.
7. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (9) das Substrat (5) bildet.
Leistungseinrichtung (1 ) mit einem Leistungsmodul (2) und einem Kühler (3), wobei das Leistungsmodul (2) ein mindestens ein Leistungselement (7) tragendes Substrat (5) aufweist, das unter Zwischenschaltung einer Wärmesenke (9) an dem Kühler (3) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Ausbildung des Leistungsmoduls (2) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Leistungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (3) ein flüssiges Kühlmedium (17) aufweist und die Wärmesenke (9) bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Kühlmedium (17) steht. 10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls (2), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Schaltungsanordnung (4), die mindestens ein auf einem Substrat (5) angeordnetes Leistungselement (7) umfasst, zumindest bereichsweise durch ein Mold- Gehäuse (16) eingehaust wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sub- strat (5) eine Wärmesenke (9) aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff
(10) mit einem in Richtung des Substrats (5) zunehmenden Keramikgehalt zugeordnet und bereichsweise miteingehaust wird.
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