DE-102024210691-A1 - Halbleitermodul, Inverter und Antriebsstrang für ein Fahrzeug aufweisend ein derartiges Leistungshalbleitermodul

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein (Leistungs-)Halbleitermodul (10), aufweisend wenigstens ein Substrat (14), auf welchem auf einer ersten Seite wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (12) aufgebracht ist, wobei das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) mit dem Substrat (14) in eine mehrere Lagen (32, 34) aufweisende Leiterplatte (16) eingebettet ist, und wobei das Substrat (14) als ein Metallkeramik-Substrat (14) ausgestaltet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen (Leistungs-)Inverter, aufweisend wenigstens ein oben genanntes (Leistungs-)Halbleitermodul (10). Zudem betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend wenigstens ein oben genanntes (Leistungs-)Halbleitermodul (10).

Inventors

• Markus Hövermann
• Matthias Hammerl

Assignees

• Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (15)

1. (Leistungs-)Halbleitermodul (10), aufweisend wenigstens ein Substrat (14), auf welchem auf einer ersten Seite wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement (12) aufgebracht ist, wobei das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) mit dem Substrat (14) in eine mehrere Lagen (32, 34) aufweisende Leiterplatte (16) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet , dass das Substrat (14) als ein Metallkeramik-Substrat (14) ausgestaltet ist.
2. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach Anspruch 1 , wobei das Metallkeramik-Substrat (14) eine zwischen zwei elektrisch leitfähigen Lagen (22) angeordnete Keramiklage (24) aufweist und wobei das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) auf einer der elektrisch leitfähigen Lagen (22) angeordnet ist.
3. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (14) eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite aufweist, und wobei die zweite Seite des Substrats (14) zwecks Wärmeabführung über thermische Vias (36) durch eine Isolationslage (32a) der Leiterplatte (16) mit einer ersten Metalllage (34a) der Leiterplatte (16) verbunden ist.
4. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich an die erste Metalllage (34a) eine weitere Isolationslage (32b) der Leiterplatte (16) anschließt, und wobei diese weitere Isolationslage (32b) keine hochgefüllte Lage ist.
5. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei keine der Isolationslagen (32) der Leiterplatte (16) eine hochgefüllte Lage ist.
6. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Seite des Substrats (14) und/oder das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) zwecks elektrischer Kontaktierung elektrisch leitend über Vias (38) durch eine Isolationslage (32c) der Leiterplatte (16) mit einer Leiterbahn (34c, 34c', 34c'') der Leiterplatte (16) verbunden ist.
7. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Seite des Substrats (14) frei von Leistungs-Halbleiterbauelementen (12) ist.
8. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) mit dem Substrat (14) durch ein Verkapselungsmaterial (40) in die Leiterplatte (16) eingebettet ist.
9. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein auf der ersten Seite des Substrats (14) angeordnetes Halbleiterschutzelement (28), das zumindest anteilig das Leistungs-Halbleiterbauelement (12) umrandet, wobei eine vertikale Ausdehnung des Halbleiterschutzelementes (28) derart ist, dass eine Oberseite des Halbleiterschutzelementes (28) wenigstens gleich hoch oder höher als eine Oberseite des Leistungs-Halbleiterbauelementes (12) ist.
10. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterschutzelement (28) einen bevorzugt abgeschrägten Randbereich der ersten Seite des Substrates (14) wenigstens anteilig umschließt.
11. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterschutzelement (28) mindestens einen Vorsprung aufweist, der in Richtung zum abgeschrägten Randbereich der ersten Seite des Substrates (14) ragt und auf dem Randbereich aufliegt.
12. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterschutzelement (28) mit einem Klebstoff (30) mit der ersten Seite des Substrates (14) verbunden ist.
13. (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Leistungs-Halbleiterbauelemente (12) und bevorzugt mehrere Substrate (14), wobei die mehreren Leistungs-Halbleiterbauelemente (12) mit den Substraten (14) in die mehrere Lagen (32, 34) aufweisende Leiterplatte (16) eingebettet sind.
14. Inverter, aufweisend: - mindestens ein (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , und - einen Kühler mit einer Kühloberfläche, wobei das (Leistungs-)Halbleitermodul (10) auf der Kühloberfläche angeordnet ist und mit dem Kühler thermisch verbunden ist.
15. Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend: - mindestens ein (Leistungs-)Halbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , das ferner mindestens einen Phasenstromanschluss aufweist, der mit dem Leistungs-Halbleiterbauelement (12) des Leistungshalbleitermoduls (10) elektrisch verbunden ist, und - einen Elektromotor mit mindestens einem Wicklungsanschluss, - wobei das (Leistungs-)Halbleitermodul (10) über den Phasenstromanschluss mit dem Wicklungsanschluss des Elektromotors elektrisch verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein (Leistungs-)Halbleitermodul. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Inverter und einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug aufweisend ein obiges (Leistungs-)Halbleitermodul. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät für einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend das obige (Leistungs-)Halbleitermodul. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei das elektrisch antreibbare Fahrzeug wenigstens eines von dem obigen (Leistungs-)Halbleitermodul, dem obigen Antriebsstrang und dem obigen Steuergerät aufweist. Leistungs-Halbleiterbauelemente sind Halbleiterbauelemente, die in der Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. Sie werden beispielsweise für die Steuerung elektrischer Antriebe in der Verkehrstechnik verwendet und können für die Umformung und/oder Anpassung von Spannung, Strom und/oder Frequenz verwendet werden. Leistungs-Halbleiterbauelemente kommen beispielsweise in Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge zur Anwendung. Bekannt ist Leistungs-Halbleiterbauelemente für Steuergeräte für elektrisch antreibbare Fahrzeuge zu verwenden. So kommen Leistungs-Halbleiterbauelemente beispielsweise in Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge zur Anwendung. Als Träger für die Leistungs-Halbleiterbauelemente können Leiterplatten verwendet werden, auf denen die Leistungs-Halbleiterbauelement mechanisch befestigt und elektrisch miteinander verbunden sind. Höher integrierte Applikationen nutzen die sogenannte Embedded-Technologie. Bei der Embedded-Technologie kommen sogenannten Bare Dies („Nacktchips“) zum Einsatz. Diese Bare Dies werden nicht in einem Plastik- oder Keramikgehäuse verbaut, sondern ohne Gehäuse weiterverarbeitet und mit einem Substrat, auf dem das Leistungs-Halbleiterbauelement aufgebracht ist, in die mehrere Lagen aufweisende Leiterplatte integriert. Üblicherweise werden bei der Embedded-Technologie für die Leiterplatte zur elektrischen Isolation sogenannten hochgefüllte Prepreg-Lagen verwendet, die in etwa 20% der gesamten Materialkosten der Leiterplatte ausmachen. Zudem neigt diese hochgefüllte Prepreg-Lage bei starken Temperaturveränderungen, auf Grund des hohen Füllstoffanteils zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, zu Delaminierungsdefekten. Ein weiterer Nachteil ist der schlechte Wärmeleitwert der zur elektrischen Isolation verwendeten Prepreg-Lage. Denn zur Kompensation des schlechten Wärmeleitwertes muss die von den in die Leiterplatte integrierten Leistungs-Halbleiterbauelemente produzierte Wärme im Substrat stark gespreizt werden. Dies bedarf somit einen großen Flächenbedarf für das Substrat, was entsprechend zu großen Leistungshalbleitermodulgrößen führt. Weitere Kosten für großflächige Kühler sowie Probleme bei der Integration der Leistungshalbleitermodule in bestehende Bauräume sind die Folge. Entsprechend besteht Bedarf Leistungshalbleitermodule weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Kosteneffizienz, der Zyklen-Festigkeit und des Flächenbedarfs. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, welche wenigstens einen Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise zu überwinden vermag. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das einen geringen Flächenbedarf und/oder eine hohe Dichte an Leistungs-Halbleiterbauelementen aufweist und/oder das Risiko von Delaminierungsdefekten verringert. Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch das Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 13, durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie durch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitermodul bzw. ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend wenigstens ein Substrat, auf welchem auf einer ersten Seite wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement aufgebracht ist, wobei das Leistungs-Halbleiterbauelement mit dem Substrat in eine mehrere Lagen aufweisende Leiterplatte eingebettet ist, und wobei das Substrat als ein Metallkeramik-Substrat ausgestaltet ist. Ein derartiges Leistungshalbleitermodul kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen, insbesondere hinsichtlich des Flächenbedarfs und der Problematik der Delamination. Ein Aspekt der