WO2020104281A1 - Leistungselektronikanordnung mit einem temperatursensor - Google Patents

Leistungselektronikanordnung mit einem temperatursensor

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WO2020104281A1
WO2020104281A1 PCT/EP2019/081262 EP2019081262W WO2020104281A1 WO 2020104281 A1 WO2020104281 A1 WO 2020104281A1 EP 2019081262 W EP2019081262 W EP 2019081262W WO 2020104281 A1 WO2020104281 A1 WO 2020104281A1
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WO
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temperature sensor
heat sink
power electronics
evaluation circuit
data evaluation
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PCT/EP2019/081262
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English (en)
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Inventor
Michael MÜLLMAIER
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Vitesco Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies Germany GmbH
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    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/10—Arrangements for heating

Definitions

  • the present invention relates to a power electronics arrangement with a temperature sensor, in particular for an electrical drive device
  • Hybrid electric / electric vehicle especially a DC converter, an inverter and / or a rectifier.
  • DC voltage converters, inverters and / or rectifiers for electric drive devices of hybrid electric / electric vehicles have high power losses and thus high waste heat, which lead to malfunctions in the power electronics systems even to the failure of the
  • heat sinks with cooling channels are used for the passage of a cooling medium, which are thermally connected to the power electronics assemblies and dissipate the waste heat from the power electronics assemblies during operation of the power electronics assemblies.
  • Temperature sensors are used, which are inserted in the cooling channels to measure the temperature of the cooling medium.
  • this solution is complex to manufacture and therefore expensive.
  • the object of the invention is therefore to provide a possibility with which a power electronics arrangement can be produced in a simple and inexpensive manner.
  • a power electronics arrangement in particular for an electric drive device of a hybrid electric / electric vehicle, in particular a DC voltage converter, an inverter and / or a rectifier, is provided.
  • the power electronics arrangement has a heat sink for cooling the
  • the temperature sensor has a first (solderable or sinterable) connection layer, which (in particular directly) is soldered or sintered onto the heat sink and is thus thermally connected to the heat sink.
  • a direct thermal connection can be established between the heat sink and the temperature sensor without the temperature sensor having to be immersed, for example, in a cooling medium flowing through a cooling channel of the heat sink. This eliminates the need to seal the heat sink at the point where the temperature sensor is inserted into the cooling channel. Due to the direct thermal connection to the heat sink by soldering or sintering, the temperature sensor can
  • Power electronics arrangement such as. B. power modules, with high
  • Power loss for better heat transfer can also be thermally connected to the heat sink by soldering or sintering, the temperature sensor can be used in one and the same manufacturing step
  • the temperature measurement can be implemented cost-effectively in a simple manner with a sufficiently high measurement accuracy.
  • the heat sink has a first one, formed by cold gas spraying
  • Connection surface made of a metal or a metal alloy or copper or a copper alloy on which the first connection layer of the temperature sensor is soldered or sintered.
  • the power electronics arrangement also has (at least) one
  • the temperature sensor also has, for example, on a side facing away from the first connection layer (at least) a contact surface on which the bonding wire rests and for recording measurement data from the
  • Temperature sensor or for forwarding measurement data of the temperature sensor (to a sensor data evaluation circuit to be described below) is electrically and physically connected to the temperature sensor.
  • Bonding eliminates an otherwise required, sometimes more expensive electrical connection, such as. B. a plug connection between the temperature sensor and the sensor data evaluation circuit mentioned. Beyond that
  • the power electronics arrangement also has the aforementioned
  • connection layer that is (especially directly) soldered or sintered onto the heat sink and is thus thermally connected to the heat sink.
  • the second connection layer can be designed as an adhesive layer that sticks the sensor data evaluation circuit onto the heat sink.
  • the heat sink has a second connecting surface formed by cold gas spraying made of a metal or a metal alloy or copper or a copper alloy, on which the second connecting layer
  • Sensor data evaluation circuit is soldered or sintered.
  • E.g. is the sensor data evaluation circuit for recording the measurement data via the aforementioned bonding wire with the temperature sensor electrically or
  • the heat sink is designed to be electrically conductive.
  • the temperature sensor is then via the first connection layer without potential separation with the
  • the sensor data evaluation circuit is electrically connected to the heat sink and is thus electrically connected to the temperature sensor via the heat sink for recording the measurement data of the temperature sensor.
  • the temperature sensor is electrically connected between the one bonding wire and the heat sink.
  • the measurement data of the temperature sensor are thus from the sensor data evaluation circuit via the electrical connections of the
  • the power electronics arrangement further comprises a plate cooler, the heat sink being part of this plate cooler.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a portion of a
  • Power electronics assembly portion according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a section of a power electronics arrangement LA1, for example an inverter, in a schematic cross-sectional illustration
  • the power electronics assembly LA1 has power electronics modules and a plate cooler with a heat sink KK for cooling the
  • Power electronics assembly LA1 or their power electronics modules.
  • the heat sink KK is essentially made of aluminum or one
  • the cooling body KK has cooling channels through which a cooling medium, for example cooling water, is passed.
  • the heat sink KK also has, on a surface OF, solderable or sinterable connection surfaces which are formed from copper or a copper alloy by cold gas spraying.
  • the power electronics modules are arranged on the connecting surfaces and mechanically and thermally connected to the heat sink KK.
  • the power electronics modules have solderable or sinterable connection layers that are directly soldered or sintered onto the connection surfaces.
  • waste heat is generated during operation of the power electronics assembly LA1, which is absorbed by the heat sink KK and by which through the cooling channels
  • a thermal model is used to monitor the temperature in the power electronics arrangement LA1.
  • the temperature of the cooling medium is also used as the input parameter for the model.
  • the temperature of the cooling medium is determined indirectly by measuring the temperature on the surface OF of the heat sink KK.
  • the power electronics arrangement LA1 has a temperature sensor TS1 for measuring the temperature of the heat sink KK on the surface OF, and a sensor data evaluation circuit AS1 for detecting and evaluating the measurement data of the temperature sensor TS1.
  • the heat sink KK has two further solderable or sinterable connection surfaces VF1, VF2 on the surface OF for producing mechanical and thermal connections to the
  • the two connecting surfaces VF1, VF2 are also made of copper or a copper alloy by cold gas spraying.
  • the temperature sensor TS1 is designed as a surface-mountable SMD component (in English “Surface Mount Device, SMD”).
  • the temperature sensor TS1 has a first connection layer VS1 for establishing a mechanical and thermal connection to the heat sink KK, an insulation layer IS for electrical insulation, a temperature sensor element SE, and two contact surfaces KF for establishing bond connections to the sensor data evaluation circuit AS1.
  • the two contact surfaces KF are formed on a first side of the sensor element SE facing away from the heat sink KK.
  • the insulating layer IS is formed on a second side of the sensor element SE facing the heat sink KK.
  • the first connection layer VS1 is in turn formed on a side of the insulating layer IS facing away from the sensor element SE and thus facing the heat sink KK.
  • the temperature sensor element SE is designed as a platinum measuring resistor, for example a PT1000 resistor, which changes its electrical resistance depending on the temperature.
  • the temperature sensor element SE can be designed as another known PTC thermistor or as a thermistor of a known type.
  • the temperature sensor element SE can also be used as a semiconductor component, e.g. a diode or a bipolar transistor with insulated gate electrode (IGBT), may be formed, in which case the
  • PN transition of the semiconductor device is used for indirect measurement of the temperature.
  • the first connection layer VS1 is designed as a solderable layer (or a solder layer) or a sinterable layer (or a sintered layer).
  • Temperature sensor TS1 lies on the first connection layer VS1 on a first of the two connection surfaces VF1 of the heat sink KK.
  • the first connection layer VS1 is directly soldered or sintered onto the first connection surface VF1.
  • the insulating layer IS is designed as an AI203 ceramic layer which is a good thermal conductor and at the same time an electrically good insulating layer.
  • the insulating layer IS thermally connects the temperature sensor element SE to the heat sink KK and at the same time electrically insulates the temperature sensor element SE from the heat sink KK.
  • the two contact surfaces KF on the first side of the sensor element SE serve as electrical connections of the temperature sensor TS1, via which the
  • Sensor data evaluation circuit AS1 records the measurement data of the temperature sensor TS1.
  • a bonding wire BD is located on each of the two contact surfaces KF which bond connections from the temperature sensor TS1 to the sensor data evaluation circuit AS1.
  • the sensor data evaluation circuit AS1 is formed on a ceramic substrate KS (that is, on a circuit board made of an electrically insulating ceramic).
  • the ceramic substrate KS has two electrical connection surfaces AF on a side facing away from the heat sink KK, which are used to establish electrical connections between the temperature sensor TS1 and circuit components of the sensor data evaluation circuit AS1 on the ceramic substrate KS.
  • the two bonding wires BD lie on their respective exposed ends on one of the two connection areas AF and bonded to the latter.
  • the sensor data evaluation circuit AS1 detects and evaluates the measurement data of the temperature sensor TS1 via the two bonding wires BD and thus determines temperature values or temperature value changes on the heat sink KK. In this case, the bonding wires BD can be bonded to the
  • Temperature sensor TS1 and on the sensor data evaluation circuit AS1 are bonded, in which other bonding wires
  • Power electronics assembly LA1 or the power modules are segregated.
  • the sensor data evaluation circuit AS1 also has a second connection layer VS2 on a side of the ceramic substrate KS facing the heat sink KK for producing a mechanical and thermal connection to the
  • the second connection layer VS2 is designed as a further solderable layer (or a further solder layer) or a further sinterable layer (or a further sintered layer).
  • the sensor data evaluation circuit AS1 is located on a second of the two via the second connection layer VS2
  • Connection layer VS2 directly soldered or sintered onto the second connection surface VF2.
  • the process for soldering or sintering on the temperature sensor TS1 and the sensor data evaluation circuit AS1 takes place in the same manufacturing step for soldering or sintering on the power modules on the heat sink.
  • the process for bonding the bond wires on the temperature sensor TS1 and the sensor data evaluation circuit AS1 takes place in the same manufacturing step for establishing the bond connections to and between the power modules.
  • FIG. 2 shows another in a schematic cross-sectional illustration
  • the power electronics arrangement LA2 in FIG. 2 differs from the power electronics arrangement LA1 shown in FIG. 1 primarily in that the power electronics arrangement LA2 has a temperature sensor TS2 which is electrically connected directly to the heat sink KK without potential isolation.
  • the power electronics arrangement LA2 also has a
  • the temperature sensor TS2 is also designed as a surface-mountable platinum measuring resistor, for example a PT1000 resistor. Like the temperature sensor TS1 shown in FIG. 1, the temperature sensor TS2 has a temperature sensor element SE and a first one
  • Temperature sensor TS1 temperature sensor TS2 does not have an insulating layer for electrical insulation.
  • the temperature sensor TS2 has only one contact area KF for establishing a (single) bond connection to the sensor data evaluation circuit AS2.
  • the contact surface KF is formed on a first side of the sensor element SE facing away from the heat sink KK.
  • the first connection layer VS1 is designed as a solderable layer (or a solder layer) or a sinterable layer (or a sintered layer) directly on a second side of the sensor element SE facing the heat sink KK.
  • the temperature sensor TS2 is directly soldered or sintered onto a first connection surface VF1 of the heat sink KK via the first connection layer VS1. Without the electrically insulating insulating layer, the temperature sensor TS2 or the temperature sensor element SE has a low resistance to the heat sink KK and is therefore electrically connected to the heat sink KK without potential isolation.
  • the sensor data evaluation circuit AS2 in FIG. 2 differs from the sensor data evaluation circuit AS1 shown in FIG. 1 in that it Instead of two, it has only one electrical connection surface AF for establishing a (single) bond connection to the temperature sensor TS2, which is electrically connected to the (single) contact surface KF of the temperature sensor TS2 via a bond wire BD.
  • the sensor data evaluation circuit AS2 is electrically connected to the temperature sensor TS2 via the one bond connection and via the electrically conductive heat sink KK.
  • the heat sink KK thus serves as an electrical connection between the temperature sensor TS2 and the
  • Temperature sensor element SE and the sensor data evaluation circuit AS2 for recording the measurement data are thus electrically connected between the one bonding wire BD and the heat sink KK.
  • the heat sink KK can be formed from copper or a copper alloy.
  • the surface OF of the heat sink KK itself forms a solderable or sinterable connection surface.
  • the cold gas-sprayed connecting surfaces VF1, VF2 described above are omitted.
  • the temperature sensor TS1 or TS2 and the sensor data evaluation circuit AS1 or AS2 can then directly on the

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Offenbart wird eine Leistungselektronikanordnung (LA1, LA2), aufweisend: - einen Kühlkörper (KK) zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung (LA1, LA2); - einen Temperatursensor (TS1, TS2) mit einer ersten Verbindungsschicht (VS1), die auf dem Kühlkörper (KK) aufgelötet oder aufgesintert ist.

Description

Beschreibung
Leistungselektronikanordnung mit einem Temperatursensor Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung mit einem Temperatursensor, insb. für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines
Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, speziell einen Gleichspannungswandler, einen Wechselrichter und/oder einen Gleichrichter.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Es ist bekannt, dass Leistungselektronikanordnungen, insb.
Gleichspannungswandler, Wechselrichter und/oder Gleichrichter für elektrische Antriebsvorrichtungen von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, in der Regel hohe Verlustleistungen und somit hohe Abwärme aufweisen, die zu Störungen bei den Leistungselektronikanordnungen gar zum Ausfall der
Leistungselektronikanordnungen führen können. Um die
Leistungselektronikanordnungen vor Störungen bzw. Ausfällen durch die hohe Abwärme zu schützen, werden Kühlkörper mit Kühlkanälen zum Durchleiten eines Kühlmediums verwendet, die mit den Leistungselektronikanordnungen thermisch verbunden sind und während des Betriebs der Leistungselektronikanordnungen die Abwärme von den Leistungselektronikanordnungen abführen. Zur Überwachung der Temperatur in den Leistungselektronikanordnungen werden
Temperatursensoren verwendet, die in den Kühlkanälen eingeführt sind, um die Temperatur des Kühlmediums zu messen. Diese Lösung ist aber aufwendig in der Herstellung und somit teuer.
Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine Leistungselektronikanordnung in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden kann.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung, insb. für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, speziell ein Gleichspannungswandler, ein Wechselrichter und/oder ein Gleichrichter, bereitgestellt.
Die Leistungselektronikanordnung weist einen Kühlkörper zur Kühlung der
Leistungselektronikanordnung und einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur an dem Kühlkörper auf. Der Temperatursensor weist eine erste (lötbare oder sinterbare) Verbindungsschicht auf, die (insb. direkt) auf dem Kühlkörper aufgelötet oder aufgesintert ist und somit mit dem Kühlkörper thermisch verbunden ist.
Durch Auflöten bzw. Aufsintern des Temperatursensors (insb. direkt) auf dem Kühlkörper kann eine direkte thermische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Temperatursensor hergestellt werden, ohne dass der Temperatursensor bspw. in ein durch einen Kühlkanal des Kühlkörpers durchströmendes Kühlmedium hineingetaucht werden muss. Dadurch entfällt eine aufwendige Abdichtung des Kühlkörpers an der Stelle, wo der Temperatursensor in den Kühlkanal hineingeführt ist. Durch die direkte thermische Anbindung zum Kühlkörper durch Auflöten bzw. Aufsintern kann der Temperatursensor Temperaturwerte bzw.
Temperaturwertveränderungen am bzw. im Kühlkörper mit einer ausreichend hohen Genauigkeit erfassen. Dabei erweist sich das Auflöten bzw. das Aufsintern des Temperatursensors auf dem Kühlkörper als eine einfache und kostengünstige Lösung, um den Temperatursensor mit dem Kühlkörper körperlich und thermisch zu verbinden. Da leistungselektronische Komponenten der
Leistungselektronikanordnung, wie z. B. Leistungsmodule, mit hoher
Verlustleistung zur besseren Wärmeübertragung ebenfalls durch Auflöten bzw. Aufsintern mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden können, kann der Temperatursensor in einem und demselben Fertigungsschritt mit den
leistungselektronischen Komponenten auf dem Kühlkörper aufgelötet bzw.
aufgesintert werden. Dadurch kann die Temperaturmessung bei ausreichend hoher Messgenauigkeit in einfacher Weise kostengünstig realisiert werden.
Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine Leistungselektronikanordnung in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden kann.
Bspw. weist der Kühlkörper eine erste, durch Kaltgasspritzen ausgebildete
Verbindungsfläche aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung auf, auf der die erste Verbindungsschicht des Temperatursensors aufgelötet oder ausgesintert ist.
Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner (mindestens) einen
Bonddraht auf. Der Temperatursensor weist bspw. ferner auf einer von der ersten Verbindungsschicht abgewandten Seite (mindestens) eine Kontaktfläche auf, auf der der Bonddraht aufliegt und zum Erfassen von Messdaten des
Temperatursensors bzw. zum Weiterleiten von Messdaten des Temperatursensors (an eine nachfolgend zu beschreibende Sensordatenauswerteschaltung) mit dem Temperatursensor elektrisch und körperlich verbunden ist. Durch die
Bondverbindung entfällt eine sonst erforderliche teils kostenintensivere elektrische Verbindung, wie z. B. eine Steckverbindung, zwischen dem Temperatursensor und der genannten Sensordatenauswerteschaltung. Darüber hinaus werden
Bondverbindungen für sonstige Schaltungskomponenten der
Leistungselektronikanordnung ohnehin eingesetzt. Die Bondverbindung zwischen dem Temperatursensor und der genannten Sensordatenauswerteschaltung kann somit in einem und demselben Bonding-Prozess mit den anderen
Bondverbindungen (und somit ohne zusätzlichen Fertigungsschnitt) hergestellt werden. Dadurch werden die Herstellungskosten für die
Leistungselektronikanordnung weiter reduziert.
Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner die zuvor genannte
Sensordatenauswerteschaltung auf. Dabei weist die
Sensordatenauswerteschaltung eine zweite (lötbare oder sinterbare)
Verbindungsschicht auf, die (insb. direkt) auf dem Kühlkörper aufgelötet oder aufgesintert ist und somit mit dem Kühlkörper thermisch verbunden ist. Alternativ kann die zweite Verbindungsschicht als eine Klebeschicht ausgebildet sein, die die Sensordatenauswerteschaltung auf dem Kühlkörper aufklebt.
Bspw. weist der Kühlkörper eine zweite, durch Kaltgasspritzen ausgebildete Verbindungsfläche aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung auf, auf der die zweite Verbindungsschicht der
Sensordatenauswerteschaltung aufgelötet oder ausgesintert ist.
Bspw. ist die Sensordatenauswerteschaltung zum Erfassen der Messdaten über den zuvor genannten Bonddraht mit dem Temperatursensor elektrisch bzw.
signaltechnisch verbunden. Bspw. ist der Kühlkörper elektrisch leitend ausgeführt. Der Temperatursensor ist dann über die erste Verbindungsschicht ohne Potentialtrennung mit dem
Kühlkörper elektrisch verbunden.
Bspw. ist die Sensordatenauswerteschaltung mit dem Kühlkörper elektrisch verbunden und somit zum Erfassen der Messdaten des Temperatursensors über den Kühlkörper mit dem Temperatursensor elektrisch verbunden. Dadurch ist der Temperatursensor zwischen dem einen Bonddraht und dem Kühlkörper elektrisch angeschlossen. Die Messdaten des Temperatursensors werden somit von der Sensordatenauswerteschaltung über die elektrischen Verbindungen des
Bonddrahts und des Kühlkörpers direkt erfasst.
Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner einen Plattenkühler auf, wobei der Kühlkörper ein Teil dieses Plattenkühlers ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer
Leistungselektronikanordnung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 2 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen
Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
Figur 1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA1 , bspw. eines Wechselrichters, eines
Gleichrichters oder einen Gleichspannungswandlers, gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Leistungselektronikanordnung LA1 weist Leistungselektronikmodule und einen Plattenkühler mit einem Kühlkörper KK zur Kühlung der
Leistungselektronikanordnung LA1 bzw. deren Leistungselektronikmodule auf.
Der Kühlkörper KK ist im Wesentlichen aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung ausgebildet. Der Kühlkörper KK weist Kühlkanäle auf, durch die ein Kühlmedium, bspw. Kühlwasser, hindurchgeleitet wird. Der Kühlkörper KK weist ferner auf einer Oberfläche OF löt- bzw. sinterfähige Verbindungsflächen auf, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Kaltgasspritzen ausgebildet sind. Auf den Verbindungsflächen sind die Leistungselektronikmodule angeordnet und mit dem Kühlkörper KK mechanisch und thermisch verbunden. Dabei weisen die Leistungselektronikmodule löt- bzw. sinterbare Verbindungsschichten auf, die auf den Verbindungsflächen direkt aufgelötet bzw. aufgesintert sind.
Aufgrund der bauteilbedingten Verlustleistungen in den Leistungsmodulen entsteht während des Betriebs der Leistungselektronikanordnung LA1 Abwärme, die von dem Kühlkörper KK aufgenommen und von dem durch die Kühlkanäle
durchströmenden Kühlmedium abgeführt wird.
Zur Überwachung der Temperatur in der Leistungselektronikanordnung LA1 wird ein thermisches Modell verwendet. Als Eingangsparameter für das Modell wird neben den elektrischen Parametern der Leistungselektronikanordnung LA1 auch die Temperatur des Kühlmediums verwendet. Dabei wird die Temperatur des Kühlmediums indirekt durch das Messen der Temperatur an der Oberfläche OF des Kühlkörpers KK ermittelt.
Hierzu weist die Leistungselektronikanordnung LA1 einen Temperatursensor TS1 zum Messen der Temperatur des Kühlkörpers KK an der Oberfläche OF, sowie eine Sensordatenauswerteschaltung AS1 zum Erfassen und zum Auswerten der Messdaten des Temperatursensors TS1 auf. Außerdem weist der Kühlkörper KK auf der Oberfläche OF zwei weitere löt- bzw. sinterfähige Verbindungsflächen VF1 , VF2 zum Herstellen mechanischer und thermischer Verbindungen zu dem
Temperatursensor TS1 und zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf. Dabei sind die beiden Verbindungsflächen VF1 , VF2 ebenfalls aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Kaltgasspritzen ausgebildet.
Der Temperatursensor TS1 ist als ein oberflächenmontierbares SMD-Bauelement (auf Englisch„Surface Mount Device, SMD“) ausgebildet. Der Temperatursensor TS1 weist eine erste Verbindungsschicht VS1 zum Herstellen einer mechanischen und thermischen Verbindung zu dem Kühlkörper KK, eine Isolierschicht IS zur elektrische Isolation, ein Temperatursensorelement SE, sowie zwei Kontaktflächen KF zum Herstellen von Bondverbindungen zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf. Dabei sind die beiden Kontaktflächen KF auf einer ersten, von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die Isolierschicht IS ist auf einer zweiten, dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die erste Verbindungsschicht VS1 ist wiederum auf einer von dem Sensorelement SE abgewandten und somit dem Kühlkörper KK zugewandten Seite der Isolierschicht IS ausgebildet.
Das Temperatursensorelement SE ist als ein Platinmesswiderstand, bspw. ein PT1000-Widerstand, ausgebildet, der abhängig von der Temperatur dessen elektrischen Widerstand verändert. Alternativ kann das Temperatursensorelement SE als ein anderer bekannter Kaltleiter oder als ein Heißleiter bekannter Art ausgebildet sein. Außerdem kann das Temperatursensorelement SE auch als ein Halbleiterbauelement, z.B. eine Diode oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ausgebildet sein, wobei in diesem Fall dann der
PN-Übergang des Halbleiterbauelements zum indirekten Messen der Temperatur verwendet wird.
Die erste Verbindungsschicht VS1 ist als eine lötbare Schicht (bzw. eine Lötschicht) oder eine sinterbare Schicht (bzw. eine Sinterschicht) ausgebildet. Der
Temperatursensor TS1 liegt über die erste Verbindungsschicht VS1 auf einer ersten der beiden Verbindungsflächen VF1 des Kühlkörpers KK auf. Dabei ist die erste Verbindungsschicht VS1 auf der ersten Verbindungsfläche VF1 direkt aufgelötet oder aufgesintert.
Die Isolierschicht IS ist als eine thermisch gut leitende und zugleich elektrisch gut isolierende AI203-Keramikschicht ausgebildet. Die Isolierschicht IS verbindet das Temperatursensorelement SE mit dem Kühlkörper KK thermisch und zugleich isoliert das Temperatursensorelement SE von dem Kühlkörper KK elektrisch.
Die beiden Kontaktflächen KF auf der ersten Seite des Sensorelements SE dienen als elektrische Anschlüsse des Temperatursensors TS1 , über die die
Sensordatenauswerteschaltung AS1 die Messdaten des Temperatursensors TS1 erfasst. Auf den beiden Kontaktflächen KF sind jeweils ein Bonddraht BD aufgebondet, welche Bondverbindungen von dem Temperatursensor TS1 zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 hersteilen.
Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 ist auf einem Keramiksubstrat KS (also auf einer Leiterplatte aus einer elektrisch isolierenden Keramik) ausgebildet. Das Keramiksubstrat KS weist auf einer von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite zwei elektrischen Anschlussflächen AF auf, die zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen dem Temperatursensor TS1 und Schaltungskomponenten der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf dem Keramiksubstrat KS dienen. Dabei liegen die beiden Bonddrähte BD über ihre jeweiligen freiliegenden Enden auf jeweils einer der beiden Anschlussflächen AF auf und auf diesen aufgebondet. Über die beiden Bonddrähte BD erfasst die Sensordatenauswerteschaltung AS1 die Messdaten des Temperatursensors TS1 und wertet diese aus und ermittelt somit Temperaturwerte oder Temperaturwertveränderung an dem Kühlkörper KK. Dabei können die Bonddrähte BD in einem Bonding-Vorgang auf dem
Temperatursensor TS1 und auf der Sensordatenauswerteschaltung AS1 aufgebondet werden, in dem auch andere Bonddrähte der
Leistungselektronikanordnung LA1 bzw. der Leistungsmodule gebondert werden.
Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 weist ferner auf einer dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Keramiksubstrats KS eine zweite Verbindungsschicht VS2 zum Herstellen einer mechanischen und thermischen Verbindung zu dem
Kühlkörper KK auf. Die zweite Verbindungsschicht VS2 ist als eine weitere lötbare Schicht (bzw. eine weitere Lötschicht) oder eine weitere sinterbare Schicht (bzw. eine weitere Sinterschicht) ausgebildet. Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 liegt über die zweite Verbindungsschicht VS2 auf einer zweiten der beiden
Verbindungsflächen VF2 des Kühlkörpers KK auf. Dabei ist die zweite
Verbindungsschicht VS2 auf der zweiten Verbindungsfläche VF2 direkt aufgelötet oder aufgesintert.
Der Vorgang zum Auflöten bzw. Aufsintern des Temperatursensors TS1 und der Sensordatenauswerteschaltung AS1 erfolgt in demselben Fertigungsschritt zum Auflöten bzw. Aufsintern der Leistungsmodule auf dem Kühlkörper. Analog erfolgt der Vorgang zum Aufbonden der Bonddrähte auf dem Temperatursensor TS1 und der Sensordatenauswerteschaltung AS1 in demselben Fertigungsschritt zum Herstellen der Bondverbindungen zu und zwischen den Leistungsmodulen.
Dadurch sind keine zusätzlichen Fertigungsschritte erforderlich, um den
Temperatursensor TS1 und die Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf dem Kühlkörper KK zu montieren und miteinander elektrisch zu verbinden. Folglich kann die Leistungselektronikanordnung LA1 einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Figur 2 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen
Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA2 gemäß einer zweiten
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Leistungselektronikanordnung LA2 in Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Leistungselektronikanordnung LA1 vor allem dadurch, dass die Leistungselektronikanordnung LA2 einen Temperatursensor TS2 aufweist, der ohne Potentialtrennung direkt mit dem Kühlkörper KK elektrisch verbunden ist. Ferner weist die Leistungselektronikanordnung LA2 eine
Sensordatenauswerteschaltung AS2 zum Erfassen und zum Auswerten der Messdaten des Temperatursensors TS2 auf, die sich von der in Figur 1
dargestellten Sensordatenauswerteschaltung AS1 geringfügig unterscheidet.
Der Temperatursensor TS2 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls als ein oberflächenmontierbarer Platinmesswiderstand, bspw. ein PT1000-Widerstand, ausgebildet. Der Temperatursensor TS2 weist wie der in Figur 1 dargestellte Temperatursensor TS1 ein Temperatursensorelement SE und eine erste
Verbindungsschicht VS1 auf. Anders als der in Figur 1 dargestellte
Temperatursensor TS1 weist der Temperatursensor TS2 jedoch keine Isolierschicht zur elektrische Isolation auf. Darüber hinaus weist der Temperatursensor TS2 nur eine Kontaktfläche KF zum Herstellen einer (einzigen) Bondverbindung zu der Sensordatenauswerteschaltung AS2 auf. Dabei ist die Kontaktfläche KF auf einer ersten, von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die erste Verbindungsschicht VS1 ist als eine lötbare Schicht (bzw. eine Lötschicht) oder eine sinterbare Schicht (bzw. eine Sinterschicht) direkt auf einer zweiten, dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Über die erste Verbindungsschicht VS1 ist der Temperatursensor TS2 auf einer ersten Verbindungsfläche VF1 des Kühlkörpers KK direkt aufgelötet oder aufgesintert. Ohne die elektrisch isolierende Isolierschicht ist der Temperatursensor TS2 bzw. das Temperatursensorelement SE mit dem Kühlkörper KK niederohmig und somit ohne Potentialtrennung mit dem Kühlkörper KK elektrisch verbunden.
Die Sensordatenauswerteschaltung AS2 in Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Sensordatenauswerteschaltung AS1 dadurch, dass diese anstelle zwei nur eine elektrische Anschlussfläche AF zum Herstellen einer (einzigen) Bondverbindung zu dem Temperatursensor TS2 aufweist, die über einen Bonddraht BD mit der (einzigen) Kontaktfläche KF des Temperatursensors TS2 elektrisch verbunden ist. Zum Erfassen der Messdaten des Temperatursensors TS2 ist die Sensordatenauswerteschaltung AS2 über die eine Bondverbindung und über den elektrisch leitenden Kühlkörper KK mit dem Temperatursensor TS2 elektrisch verbunden.
Damit dient der Kühlkörper KK in dieser Ausführungsform als eine elektrische Verbindung zwischen dem Temperatursensor TS2 bzw. dem
Temperatursensorelement SE und der Sensordatenauswerteschaltung AS2 zum Erfassen der Messdaten. Das Temperatursensorelement SE ist somit zwischen dem einen Bonddraht BD und dem Kühlkörper KK elektrisch angeschlossen.
Dadurch entfällt ein zweiter Bonddraht, der sonst zum Erfassen der Messdaten erforderlich wäre. Dies reduziert weiter den Herstellungsaufwand und somit auch die Herstellungskosten für die Leistungselektronikanordnung LA2.
In einer alternativen, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kühlkörper KK aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein. In diesem Fall bildet die Oberfläche OF des Kühlkörpers KK an sich eine löt- bzw. sinterfähige Verbindungsfläche. Folglich entfallen die oben beschriebenen kaltgasgespritzten Verbindungsflächen VF1 , VF2. Der Temperatursensor TS1 bzw. TS2 und die Sensordatenauswerteschaltung AS1 bzw. AS2 können dann direkt auf der
Oberfläche OF des Kühlkörpers KK aufgelötet bzw. aufgesintert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2), aufweisend:
einen Kühlkörper (KK) zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2);
einen Temperatursensor (TS1 , TS2) mit einer ersten Verbindungsschicht (VS1 ), die auf dem Kühlkörper (KK) aufgelötet oder aufgesintert ist.
2. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2) nach Anspruch 1 , wobei der
Kühlkörper (KK) eine erste, durch Kaltgasspritzen ausgebildete
Verbindungsfläche (VF1 ) aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist, auf der die erste
Verbindungsschicht (VS1 ) des Temperatursensors (TS1 , TS2) aufgelötet oder ausgesintert ist.
3. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2) nach Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Bonddraht (BD) aufweist, wobei der Temperatursensor (TS1 , TS2) auf einer von der ersten Verbindungsschicht (VS1 ) abgewandten Seite eine Kontaktfläche (KF) aufweist, auf der der Bonddraht (BD) aufliegt und zum Erfassen von Messdaten des Temperatursensors (TS1 , TS2) mit dem
Temperatursensor (TS1 , TS2) elektrisch und körperlich verbunden ist.
4. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Sensordatenauswerteschaltung (AS1 , AS2) mit einer zweiten Verbindungsschicht (VS2) aufweist, wobei die zweite
Verbindungsschicht (VS2) auf dem Kühlkörper (KK) aufgelötet oder aufgesintert ist.
5. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2) nach Ansprüchen 3 und 4, wobei die Sensordatenauswerteschaltung (AS1 , AS2) zum Erfassen der Messdaten über den Bonddraht (BD) mit dem Temperatursensor (TS1 , TS2) elektrisch verbunden ist.
6. Leistungselektronikanordnung (LA2) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei der Kühlkörper (KK) elektrisch leitend ausgeführt ist und der Temperatursensor (TS2) ohne Potentialtrennung mit dem Kühlkörper (KK) elektrisch verbunden ist.
7. Leistungselektronikanordnung (LA2) nach Ansprüchen 5 und 6, wobei die Sensordatenauswerteschaltung (AS2) mit dem Kühlkörper (KK) elektrisch verbunden ist und zum Erfassen der Messdaten über den Kühlkörper (KK) mit dem Temperatursensor (TS2) elektrisch verbunden ist.
8. Leistungselektronikanordnung (LA1 , LA2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner einen Plattenkühler aufweist, wobei der Kühlkörper (KK) ein Teil des Plattenkühlers ist.
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