AT14114U1 - Trägerplatte für ein Leistungselektronikmodul - Google Patents

Abstract

Trägerplatte (1) für ein Leistungselektronikmodul (2) mit einer Oberfläche (3), auf der innerhalb wenigstens eines Montagebereichs (4) wenigstens ein Schaltungsträger (5) anordenbar ist, wobei die Oberfläche (3) entlang wenigstens eines Teils einer Umrandung (6) des wenigstens einen Montagebereichs (4) wenigstens eine Ausnehmung (7) aufweist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Trägerplatte für ein Leistungselektronikmodul mit einer Ober¬fläche, auf der innerhalb wenigstens eines Montagebereichs wenigstens ein Schaltungsträgeranordenbar ist.

[0002] Derartige Trägerplatten werden häufig als Träger für Leistungselektronikmodule einge¬setzt, um darauf einerseits Schaltungsträger wie beispielsweise Leiterplatten anordnen zukönnen und andererseits eine durch auf den Schaltungsträgern angeordnete Leistungselektro¬nikbauteile erzeugte Wärme abführen zu können. Als Trägerplatten werden dabei häufig Kup¬fer- oder Aluminiumplatten verwendet, auf denen in den entsprechenden MontagebereichenSchaltungsträger angeordnet werden, indem sie beispielsweise auf die Trägerplatte im Wesent¬lichen vollflächig aufgelötet, aufgeklebt oder aufgesintert werden.

[0003] Leistungselektronikmodule wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie eingesetztwerden müssen in einem großen Temperaturbereich einsetzbar sein. Um die Einsetzbarkeit ineinem großen Temperaturbereich prüfen zu können, werden häufig thermische Zyklentestsdurchgeführt, bei denen ein Leistungselektronikmodul während eines thermischen Zyklus Tem¬peraturen von z.B. -40° Celsius bis +125° Celsius ausgesetzt wird. Dabei ist häufig zu beobach¬ten, dass herkömmliche Leistungselektronikmodule bereits nach etwa 200 solcher thermischenZyklen Beeinträchtigungen aufweisen, indem beispielsweise die Lötschicht zwischen der Trä¬gerplatte und einem auf der Trägerplatte angelöteten Schaltungsträger Beeinträchtigungenaufweist, welche die Anhaftung und thermische Verbindung zwischen dem Schaltungsträgerund der Trägerplatte verringern können.

[0004] Solche Beeinträchtigungen in z.B. der Lötschicht werden oft dadurch hervorgerufen,dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Trägerplatte und Schaltungsträger unter¬schiedliche Werte aufweisen. Die Schaltungsträger umfassen häufig ein keramisches Substrat,dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von etwa 4 bis 7 ppm pro Kelvin liegt,wohingegen der Wärmeausdehnungskoeffizient einer üblichen Trägerplatte aus Kupfer oderAluminium Werte zwischen etwa 17 und 22 ppm pro Kelvin aufweist. Bei schwankenden Tem¬peraturen ist somit die Lötschicht, die zwei Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungs¬koeffizienten verbindet, entsprechenden Belastungen bzw. Spannungen ausgesetzt. Beein¬trächtigungen der Lötschicht können zu einer verringerten Wärmetransportfähigkeit zwischenSchaltungsträger und Trägerplatte und somit in weiterer Folge zu einer Überhitzung des gesam¬ten Leistungselektronikmoduls bis hin zum Ausfall des Leistungselektronikmoduls führen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und einegegenüber dem Stand der Technik verbesserte Trägerplatte anzugeben. Insbesondere soll miteiner vorgeschlagenen Trägerplatte ein Leistungselektronikmodul mit einer höheren Zuverläs¬sigkeit in Bezug auf Temperaturschwankungen ermöglicht werden.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0007] Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Oberfläche entlang wenigstenseines Teils einer Umrandung des wenigstens einen Montagebereichs wenigstens eine Aus¬nehmung aufweist.

[0008] Durch das Vorsehen wenigstens einer Ausnehmung an der Umrandung des Montagebe¬reichs wird die Stresseinleitung im Montagebereich verringert. Insbesondere können durch dieAusnehmung in der Trägerplatte entstehende Spannungen leichter aufgenommen werden, diedurch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Trägerplatte und darauf anorden¬barer Schaltungsträger in der Trägerplatte hervorgerufen werden können. Dadurch lässt sicheine erhöhte Zuverlässigkeit einer Verbindung zwischen Trägerplatte und Schaltungsträgerermöglichen, insbesondere in Bezug auf Temperaturschwankungen. Versuche der Anmelderinhaben gezeigt, dass bei Einsatz einer vorgeschlagenen Trägerplatte ein damit ausgestattetesLeistungselektronikmodul selbst bei einer dreifach höheren Anzahl von thermischen Zyklen immer noch eine zuverlässige Anhaftung von Schaltungsträgern an der Trägerplatte und damiteine gute Wärmeleitung von den Schaltungsträgern zur Trägerplatte erzielt werden können.

[0009] Durch die verbesserten Eigenschaften der Trägerplatte im Bereich der Ausnehmungkann auch ein allfälliger Anlötprozess eines Schaltungsträgers auf die Trägerplatte verbessertwerden, da durch die Ausnehmung unerwünschte Verformungen der Trägerplatte während desLötprozesses weitestgehend vermieden werden können.

[0010] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Trägerplatte zumindest teilweise, vor¬zugsweise im Wesentlichen vollständig, aus Metall besteht, vorzugsweise aus Kupfer oderAluminium oder deren Legierungen. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeabfuhr durch dieTrägerplatte, die z.B. selbst wiederum an einem Gehäuseteil angeordnet sein kann, erzieltwerden. Beim Metall kann es sich auch um eine Metalllegierung handeln, wie beispielsweiseeine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung.

[0011] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass diewenigstens eine Ausnehmung einen den wenigstens einen Montagebereich zumindest teilwei¬se, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, begrenzenden Rahmen bildet. Die besten Er¬gebnisse können dabei erzielt werden, wenn die wenigstens eine Ausnehmung einen vollstän¬digen Rahmen um den jeweiligen Montagebereich bildet.

[0012] Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Umrandung einepolygonale Form aufweist, wobei sich die wenigstens eine Ausnehmung zumindest im Bereichwenigstens einer Ecke der Umrandung, vorzugsweise in den Bereichen aller Ecken der Umran¬dung, um die jeweilige Ecke herum erstreckt.

[0013] Da Schaltungsträger häufig eine rechteckige Form aufweisen, hat es sich als besondersvorteilhaft herausgestellt, wenn die Umrandung eine im Wesentlichen rechteckige Form miteiner Umrandungslänge und einer Umrandungsbreite aufweist. Dabei kann vorzugsweise vor¬gesehen sein, dass sich die wenigstens eine Ausnehmung zumindest im Bereich wenigstenseiner Ecke der Umrandung, vorzugsweise in den Bereichen aller Ecken der Umrandung, um diejeweilige Ecke herum zumindest entlang eines Teils der Umrandungslänge und/oder der Um¬randungsbreite erstreckt. Günstig ist es dabei, wenn sich die wenigstens eine Ausnehmungüber mindestens 5% der Umrandungslänge und/oder über mindestens 5% der Umrandungs¬breite erstreckt.

[0014] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, dass die we¬nigstens eine Ausnehmung als eine, vorzugsweise eingeprägte oder ausgefräste oder eingeätz¬te, Nut ausgebildet ist. Insbesondere eine eingeprägte Nut, die vorzugsweise im Querschnittrechteckförmig ausgebildet ist, hat dabei den Vorteil, dass das Material der Trägerplatte an denPrägestellen durch das Einprägen verdichtet wird und damit zu einer verbesserten Wärmever¬teilung bzw. einem verbesserten Wärmetransport durch die Trägerplatte führt. Das Einprägender Ausnehmung kann dabei im selben Arbeitsschritt wie das Ausstanzen der Trägerplatteerfolgen.

[0015] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die wenigs¬tens eine Ausnehmung als eine Mehrzahl von aneinander gereihter Einzelausnehmungen,vorzugsweise von Löchern, ausgebildet ist.

[0016] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dieTrägerplatte eine Dicke aufweist, wobei sich die wenigstens eine Ausnehmung mit einer maxi¬malen Tiefe von etwa 10% bis 30% der Dicke in die Trägerplatte erstreckt.

[0017] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Ausnehmung entlangder Umrandung eine Längserstreckung aufweist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung querzu ihrer Längserstreckung eine Breite von etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm, vorzugsweise etwa 0,1mm bis etwa 1 mm, aufweist.

[0018] Schutz wird auch begehrt für ein Leistungselektronikmodul mit einer vorgeschlagenenTrägerplatte gemäß Anspruch 12.

[0019] Vorzugsweise kann dabei vorgesehen, dass der Schaltungsträger innerhalb des wenigs¬tens einen Montagebereichs angeordnet ist, vorzugsweise angelötet ist, wobei die wenigstenseine Ausnehmung den Schaltungsträger zumindest teilweise umrahmt. Der Schaltungsträgerkann dabei beispielsweise ein Direct-Bonded- Copper-Substrat (DBC-Substrat) umfassen, aufdessen erster Oberfläche elektronische Bauteile angeordnet sind und dessen zweite Oberflächedurch eine Kupferschicht gebildet wird, die im Montagebereich der Trägerplatte mit der Träger¬platte verlötet wird.

[0020] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nach¬folgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen: [0021] Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Trägerplat¬ te, [0022] Fig. 2 die Trägerplatte gemäß Fig. 1 mit darauf angeordneten Schaltungsträgern, [0023] Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung durch die Trägerplatte der Fig. 2 gemäß Schnittli¬ nie A-A, [0024] Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer vorge¬ schlagenen Trägerplatte, [0025] Fig. 5 eine Draufsicht auf die Trägerplatte der Fig. 4, [0026] Fig. 6 die Trägerplatte gemäß Fig. 5 mit darauf angeordneten Schaltungsträgern, [0027] Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs C der Fig. 5 und [0028] Fig. 8 eine schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Leistungselektronikmo¬ duls umfassend eine vorgeschlagene Trägerplatte.

[0029] Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine vorgeschlagene Trägerplatte 1, auf deren Oberflä¬che 3 insgesamt drei Montagebereiche 4 für hier nicht dargestellte Schaltungsträger 5 vorgese¬hen sind. Die Umrandungen 6 der Montagebereiche 4 haben jeweils eine rechteckige Form undweisen jeweils eine Umrandungsbreite a und eine Umrandungslänge b auf. Entlang der Umran¬dungen 6 ist an der Oberfläche 3 der Trägerplatte 1 jeweils eine Ausnehmung 7 ausgebildet,die einen den jeweiligen Montagebereich 4 vollständig begrenzenden Rahmen bildet.

[0030] Fig. 2 zeigt die Trägerplatte 1 gemäß Fig. 1, wobei in den Montagenbereichen 4 jeweilsein Schaltungsträger 5 in Form einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei auf den Schaltungsträ¬gern 5 hier nicht näher bezeichnete Elektronikbauteile angeordnet sind.

[0031] Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie A-A in Fig. 2. In die¬ser Schnittdarstellung ist die den entsprechenden Montagebereich 4 rahmenartig umgebendeAusnehmung 7 zu erkennen, die eine Breite 12 aufweist und sich mit einer Tiefe 11 ausgehendvon der Oberfläche 3 in die Trägerplatte 1 erstreckt, wobei die Trägerplatte 1 eine Dicke 10aufweist. Wie in dieser Darstellung gezeigt, ist die Tiefe 11 vorzugsweise durch eine gedachteSchnittlinie begrenzbar, wobei die Schnittlinie ausgehend vom Montagebereich 4 bzw. voneinem äußeren Rand einer im Montagebereich 4 angeordneten Anhaftschicht für den Schal¬tungsträger 5 (z.B. eine Lötschicht 17) mit einem Winkel von etwa 60° in Bezug auf den Monta¬gebereich verläuft. Beim Winkel von etwa 60° handelt es sich um einen besonders günstigenWärmespreizwinkel der Trägerplatte 1.

[0032] Fig. 4 zeigt ein Leistungselektronikmodul 2 mit einer weiteren Ausführungsform einervorgeschlagenen Trägerplatte 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Oberfläche 3 der Trä¬gerplatte 1 weist in diesem Fall ebenfalls drei Montagebereiche 4 auf, auf denen jeweils einSchaltungsträger 5 angeordnet ist. Die Umrandungen 6 der Montagebereiche 4 sind jeweilsrechteckförmig. In den Bereichen aller Ecken 8 einer Umrandung 6 ist jeweils eine Ausnehmung7 ausgebildet, die um die jeweilige Ecke 8 herum verläuft. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind indieser Darstellung nicht alle Ecken 8 und Ausnehmungen 7 entsprechend bezeichnet.

[0033] Fig. 5 zeigt die Trägerplatte 1 gemäß Fig. 4 in einer Draufsicht. Hier sind die drei Monta- gebereiche 4 zu erkennen, die jeweils durch eine Umrandung 6 begrenzt sind, wobei diesegedachten Umrandungen 6 der Montagebereiche 4 in dieser Darstellung als strichlierte Recht¬ecke angedeutet sind. An den Ecken 8 einer jeweiligen Umrandung 6 ist jeweils eine Ausneh¬mung 7 ausgebildet, die um die jeweilige Ecke 8 herum verläuft. Eine Ausnehmung 7 weistdabei eine Ausnehmungslänge x und eine Ausnehmungsbreite y auf, wobei die Ausnehmungs¬länge x in diesem Beispiel mehr als 5% der Umrandungslänge b der jeweiligen Umrandung 6beträgt und die Ausnehmungsbreite y mehr als 5% der Umrandungsbreite a der jeweiligenUmrandung 6 beträgt.

[0034] Fig. 6 zeigt die Trägerplatte 1 gemäß Fig. 5 mit in den drei Montagebereichen 4 auf derOberfläche 3 der Trägerplatte 1 angeordneten Schaltungsträgern 5.

[0035] Fig. 7 zeigt den mit einem Kreis markierten Bereich C der Fig. 5 in einer vergrößertenDarstellung. Hierbei ist zu erkennen, dass in diesem Beispiel eine Ausnehmung 7 jeweils durcheine Aneinanderreihung von Einzelnausnehmungen 9 in Form von Löchern als Lochkette aus¬gebildet ist.

[0036] Fig. 8 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Leistungselektronik¬modul 2 mit einer vorgeschlagenen Trägerplatte 1. Auf einer Oberfläche 3 der Trägerplatte 1 istein Montagebereich 4 vorgesehen, innerhalb dessen ein Schaltungsträger 5 auf der Oberfläche3 der Trägerplatte 1 angeordnet ist. Eine Ausnehmung 7 in Form einer im Querschnitt rechteck¬förmigen Nut an der Oberfläche 3 der Trägerplatte 1 umrahmt dabei den Montagebereich 4rund um den Schaltungsträger 5. Die Trägerplatte 1 weist eine Dicke 10 auf und die Ausneh¬mung 7 erstreckt sich mit einer Tiefe 11 in die Trägerplatte 1 hinein. Die Ausnehmung 7 weisteine Breite 12 von beispielsweise 0,5 mm auf. Der Schaltungsträger 5 ist in diesem Beispiel alsDBC-Substrat ausgebildet, welches eine Keramikplatte 13 umfasst, auf deren beiden gegen¬überliegenden Oberflächen jeweils eine Kupferschicht 14, 16 angeordnet ist. Auf der der Trä¬gerplatte abgewandten Kupferschicht 14 sind Elektronikbauteile 15 an dem Schaltungsträger 5angelötet.

[0037] Die der Trägerplatte 1 zugewandte Kupferschicht 16 des Schaltungsträgers 5 ist mittelseiner Lötschicht 17 mit der Trägerplatte 1 verlötet.

[0038] Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Trägerplatte 1 und Schal¬tungsträger 5 können Spannungen, die insbesondere durch Temperaturschwankungen hervor¬gerufen werden, durch die Ausbildung der den Schaltungsträger 5 umgebenden Ausnehmung 7aufgenommen werden.

Claims (13)

1. Ansprüche 1. Trägerplatte (1) für ein Leistungselektronikmodul (2) mit einer Oberfläche (3), auf der in¬nerhalb wenigstens eines Montagebereichs (4) wenigstens ein Schaltungsträger (5)anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) entlang wenigstens ei¬nes Teils einer Umrandung (6) des wenigstens einen Montagebereichs (4) wenigstens eineAusnehmung (7) aufweist.
2. 2. Trägerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (1) zumin¬dest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, aus Metall besteht, vorzugswei¬se aus Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen.
3. 3. Trägerplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eineAusnehmung (7) einen den wenigstens einen Montagebereich (4) zumindest teilweise, vor¬zugsweise im Wesentlichen vollständig, begrenzenden Rahmen bildet.
4. 4. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Um¬randung (6) eine polygonale Form aufweist, wobei sich die wenigstens eine Ausnehmung (7) zumindest im Bereich wenigstens einer Ecke (8) der Umrandung (6), vorzugsweise inden Bereichen aller Ecken (8) der Umrandung (6), um die jeweilige Ecke (8) herum er¬streckt.
5. 5. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Um¬randung (6) eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer Umrandungslänge (b) undeiner Umrandungsbreite (a) aufweist.
6. 6. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die we¬nigstens eine Ausnehmung (7) zumindest im Bereich wenigstens einer Ecke (8) der Um¬randung (6), vorzugsweise in den Bereichen aller Ecken (8) der Umrandung (6), um die je¬weilige Ecke (8) herum zumindest entlang eines Teils der Umrandungslänge (b) und/oderder Umrandungsbreite (a) erstreckt.
7. 7. Trägerplatte nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstenseine Ausnehmung (7) über mindestens 5% der Umrandungslänge (b) und/oder über min¬destens 5% der Umrandungsbreite (a) erstreckt.
8. 8. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die we¬nigstens eine Ausnehmung (7) als eine, vorzugsweise eingeprägte oder ausgefräste odereingeätzte, Nut ausgebildet ist.
9. 9. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die we¬nigstens eine Ausnehmung (7) als eine Mehrzahl von aneinander gereihter Einzelausneh¬mungen (9), vorzugsweise von Löchern, ausgebildet ist.
10. 10. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trä¬gerplatte (1) eine Dicke (10) aufweist, wobei sich die wenigstens eine Ausnehmung (7) miteiner maximalen Tiefe (11) von etwa 10% bis 30% der Dicke (10) in die Trägerplatte (1) er¬streckt.
11. 11. Trägerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diewenigstens eine Ausnehmung (7) entlang der Umrandung (6) eine Längserstreckung auf¬weist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung (7) quer zu ihrer Längserstreckung eineBreite (12) von etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm,aufweist.
12. 12. Leistungselektronikmodul (2) mit einer Trägerplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11und wenigstens einem darauf angeordneten Schaltungsträger (5).
13. 13. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schal¬tungsträger (5) innerhalb des wenigstens einen Montagebereichs (4) angeordnet ist, vor¬zugsweise angelötet ist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung (7) den Schaltungsträger (5) zumindest teilweise umrahmt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen