DE102020207342A1

DE102020207342A1 - Power module

Info

Publication number: DE102020207342A1
Application number: DE102020207342.2A
Authority: DE
Inventors: Juergen Oberle; Martin Koehne; Andreas Burghardt; Witold Pieper; Leo Rizzi; Jonas Ott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Für ein Leistungsmodul (1), umfassend wenigstens drei übereinander gestapelte Lagen, darunter: wenigstens ein Kühlkörper (10) mit einer Oberseite (12), wenigstens eine auf die Oberseite (12) des Kühlkörpers (10) angeordnete und sich flächig erstreckende elektrisch isolierende Zwischenschicht (20) mit einer der Oberseite (12) des Kühlkörpers (10) zugewandten ersten Seite (21) und einer von der ersten Seite (21) abgewandten zweiten Seite (22), wenigstens eine auf der zweiten Seite (22) der Zwischenschicht (20) angeordnete Deckschicht (30) mit einer Kontaktseite (31), die der zweiten Seite (22) der Zwischenschicht (20) zugewandt ist, und einer Oberseite (32) der Deckschicht (30), die von der Kontaktseite (31) der Deckschicht (30) abgewandt ist, wobei das Leistungsmodul (1) weiterhin wenigstens ein elektrisches und/oder elektronisches Leistungsbauelement (40) umfasst, das auf der Oberseite (32) der Deckschicht (30) angeordnet ist, wird vorgeschlagen, dass die Deckschicht (30) zumindest teilweise aus Graphen ausgebildet ist.For a power module (1), comprising at least three layers stacked on top of one another, including: at least one heat sink (10) with an upper side (12), at least one electrically insulating intermediate layer which is arranged on the upper side (12) of the heat sink (10) and extends over a large area (20) with a first side (21) facing the upper side (12) of the heat sink (10) and a second side (22) facing away from the first side (21), at least one on the second side (22) of the intermediate layer (20 ) arranged cover layer (30) with a contact side (31), which faces the second side (22) of the intermediate layer (20), and an upper side (32) of the cover layer (30), which faces from the contact side (31) of the cover layer ( 30), the power module (1) further comprising at least one electrical and/or electronic power component (40) which is arranged on the upper side (32) of the cover layer (30), it is proposed that the cover layer (30) at least part Lwise formed of graphs.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.The invention relates to a power module with the features of the preamble of independent claim 1.

In Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen werden Inverterstrukturen und Konverterstrukturen mit Kommutierungskreisen aus Zwischenkreiskondensatoren und Halbbrücken, die beispielsweise in Leistungsmodulen ausgebildet sind, eingesetzt. Beispielsweise werden zum Betreiben einer elektrischen Maschine Inverter verwendet, die Phasenströme für die elektrische Maschine bereitstellen. Die Inverter und Konverter umfassen beispielsweise Leistungsmodule. Die Leistungsmodule können beispielsweise ein Trägersubstrat mit Leiterbahnabschnitten umfassen, auf dem beispielsweise Leistungsschalter, beispielsweise Halbleiterschalter, angeordnet sind, die zusammen mit dem Trägersubstrat ein Leistungsmodul bilden.In hybrid vehicles or electric vehicles, inverter structures and converter structures with commutation circuits made up of intermediate circuit capacitors and half bridges, which are formed, for example, in power modules, are used. For example, inverters are used to operate an electrical machine, which provide phase currents for the electrical machine. The inverters and converters include, for example, power modules. The power modules can include, for example, a carrier substrate with conductor track sections on which, for example, power switches, for example semiconductor switches, are arranged, which together with the carrier substrate form a power module.

Das Trägersubstrat ist dabei häufig beispielsweise ein DBC-Substrat (Direct Bonded Copper), ein AMB-Substrat (Active Metal Brazed) oder ein IMS-Substrat (Insulated Metal Substrate). Bei der Herstellung eines DBC-Substrats werden Kupferfolien beispielsweise auf ein Keramiksubstrat aufgebracht und die auf dem Keramiksubstrat aufgebrachte metallische Schicht aus Kupfer anschließend beispielsweise durch fotolithografische Prozesse in Leiterbahnabschnitte untergliedert. Auf der von der metallischen Schicht abgewandten Seite des Keramiksubstrats kann eine weitere metallische Schicht beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Diese weitere metallische Schicht aus Kupfer wird in Leistungselektronikanwendungen beispielsweise unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht an einen Kühler angebundenThe carrier substrate is often, for example, a DBC substrate (Direct Bonded Copper), an AMB substrate (Active Metal Brazed) or an IMS substrate (Insulated Metal Substrate). In the manufacture of a DBC substrate, copper foils are applied to a ceramic substrate, for example, and the metallic layer of copper applied to the ceramic substrate is then subdivided into conductor track sections, for example by photolithographic processes. On the side of the ceramic substrate facing away from the metallic layer, a further metallic layer can be formed from copper, for example. This further metallic layer made of copper is connected to a cooler in power electronics applications, for example with an electrically insulating intermediate layer in between

In konventionellen Leistungsmodulen ist ein Ziel, die in den Leistungsbauelementen, beispielsweise den Halbleiterschaltern, anfallende Verlustwärme effizient abzuführen. Wird als Schaltungsträger für die Leistungsbauelemente ein DBC-Substrats verwendet, dient die zwischen den Leistungsbauelementen und der Keramikschicht des DBC-Substrats angeordnete Kupfer-Schicht der elektrischen Kontaktierung der Leistungsbauelemente und gleichzeitig als Heatspreader für die in den Leistungsbauelementen anfallende Verlustwärme. Ein Heatspreader wird benötigt, um die Verlustwärme auf eine größere Fläche zu verteilen, auf der dann die durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit thermisch begrenzende Keramikschicht die Wärme zum Kühlkörper transportiert.In conventional power modules, one goal is to efficiently dissipate the heat loss occurring in the power components, for example the semiconductor switches. If a DBC substrate is used as the circuit carrier for the power components, the copper layer arranged between the power components and the ceramic layer of the DBC substrate is used to make electrical contact with the power components and, at the same time, as a heat spreader for the heat loss occurring in the power components. A heat spreader is required to distribute the lost heat over a larger area, on which the ceramic layer, which is thermally limiting due to its low thermal conductivity, then transports the heat to the heat sink.

Die Fläche, die ein Leistungsbauelement, beispielsweise ein Leistungshalbleiter, auf dem Schaltungsträger benötigt, entspricht mindestens der Fläche, die zur Wärmeabfuhr durch die Keramik benötigt wird. Dies spielt insbesondere eine Rolle bei als SiC-Halbleiter ausgebildeten Leistungsbauelementen, bei denen potentiell mehr Verlustleistung auf kleinerem Raum entsteht.The area that a power component, for example a power semiconductor, requires on the circuit carrier corresponds at least to the area that is required for heat dissipation through the ceramic. This plays a role in particular in the case of power components designed as SiC semiconductors, in which potentially more power loss occurs in a smaller space.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Leistungsmodul umfassend wenigstens drei übereinander gestapelte Lagen vorgeschlagen. Die Lagen umfassen einen Kühlkörper mit einer Oberseite, wenigstens eine auf die Oberseite des Kühlkörpers angeordnete und sich flächig erstreckende elektrisch isolierende Zwischenschicht mit einer der Oberseite des Kühlkörpers zugewandten ersten Seite und einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite, wenigstens eine auf der zweiten Seite der Zwischenschicht angeordnete Deckschicht mit einer Kontaktseite, die der zweiten Seite der Zwischenschicht zugewandt ist, und einer Oberseite der Deckschicht, die von der Kontaktseite der Deckschicht abgewandt ist, wobei das Leistungsmodul weiterhin wenigstens ein elektrisches und/oder elektronisches Leistungsbauelement umfasst, das auf der Oberseite der Deckschicht angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Deckschicht zumindest teilweise aus Graphen ausgebildet.According to the invention, a power module comprising at least three layers stacked one on top of the other is proposed. The layers comprise a heat sink with an upper side, at least one electrically insulating intermediate layer arranged on the upper side of the heat sink and extending over a large area with a first side facing the upper side of the heat sink and a second side facing away from the first side, at least one on the second side of the Interlayer arranged cover layer with a contact side facing the second side of the intermediate layer, and a top side of the cover layer facing away from the contact side of the cover layer, wherein the power module further comprises at least one electrical and / or electronic power component that is on the top of the Cover layer is arranged. According to the invention, the cover layer is at least partially made of graphene.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Im Unterschied zum Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Leistungsmodul durch eine systemoptimierte Wärmeflussführung die Realisierung von Leistungsmodulen mit höherer Leistungsdichte. Da Graphen als monoatomare Kohlenstoffschicht eine extrem hohe thermische Leitfähigkeit in der Ebene zeigt, die mit bis zu 3000 W/mK noch deutlich über dem Wert von Kupfer liegt, kann in dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul Wärme von dem Leistungsbauelement über die Deckschicht mit Graphen an die Zwischenschicht und damit an den Kühlkörper abgeleitet werden. Die Stabilität gegenüber Thermowechselbelastung steigt durch die Flexibilität von Graphen. So stellt das Leistungsmodul insgesamt ein vorteilhaft wärmeflussoptimiertes Leistungsmodul mit hoher Leistungsdichte und Robustheit dar.In contrast to the prior art, the power module according to the invention enables the implementation of power modules with a higher power density through system-optimized heat flow management. Since graphene as a monoatomic carbon layer shows an extremely high thermal conductivity in the plane, which at up to 3000 W / mK is still well above the value of copper, in the power module according to the invention, heat can be transferred from the power component via the cover layer with graphene to the intermediate layer and so that they can be diverted to the heat sink. The stability against thermal fluctuations increases due to the flexibility of graphene. Overall, the power module represents an advantageous heat flow-optimized power module with high power density and robustness.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.Further advantageous refinements and developments of the inventions are made possible by the features specified in the subclaims.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Deckschicht aus reinem Graphen ausgebildet ist. Unter reinem Graphen wird in Kontext der vorliegenden Anmeldung Graphen verstanden, in dem höchstens Reste aus dem Fertigungsprozess, wie beispielsweise Salze, enthalten sind, das aber ansonsten nur aus Graphen Flakes besteht.According to an advantageous embodiment, it is provided that the cover layer is made from pure graphene. Pure graph in the context of the present application is understood to mean graph in which at most residues from the manufacturing process, such as salts, are included, but otherwise only consists of graphene flakes.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Deckschicht Flakes aus Graphen umfasst. Unter Flakes aus Graphen werden dabei ebene oder wellige Graphen-Plättchen verstanden. Die Flakes weisen in ihrer flächigen Erstreckung eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit auf. Somit kann im Vergleich zu anderen Materialien, aus denen die Deckschicht ausgebildet sein kann, Wärme besonders gut mittels des Graphens in der Deckschicht von dem Leistungsbauelement über die Zwischenschicht an den Kühlkörper abgeleitet werden.According to an advantageous embodiment it is provided that the cover layer comprises flakes made of graphene. Flakes made of graphene are understood to mean flat or wavy graphene platelets. The flakes have a particularly high thermal conductivity in their two-dimensional extension. Thus, compared to other materials from which the cover layer can be formed, heat can be dissipated particularly well by means of the graphene in the cover layer from the power component via the intermediate layer to the heat sink.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Flakes zumindest teilweise senkrecht zur zweiten Seite der Zwischenschicht angeordnet sind. Graphen als monoatomare Kohlenstoffschicht, beispielsweise in Form von Flakes, zeigt eine extrem hohe thermische Leitfähigkeit in der Ebene, die mit bis zu 3000 W/mK noch deutlich über dem Wert von Kupfer liegt. Somit weisen die Flakes in der Ebene eine außerordentlich hohe thermische Leitfähigkeit auf. Bei Multilagengraphen oder makroskopischen Filmen zeigt die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls eine Anisotropie mit hohen Werten in Richtung der Graphenlagen. Durch eine als Graphenschicht ausgebildete Deckschicht mit systemoptimiert ausgerichteten, d.h. lokal senkrecht zu der Zwischenschicht angeordneten Flakes, wird die Wärmeabfuhr unterhalb des Leistungsbauelements vorteilhaft optimiert. Durch eine Strukturierung des Graphenfilms, bei der Flakes senkrecht zu der zweiten Seite der Zwischenschicht ausgerichtet werden, wird somit eine systemoptimierte Wärmeflussführung realisiert. Somit ermöglicht die Technologie durch eine systemoptimierte Wärmeflussführung die Realisierung von Leistungsmodulen mit höherer Leistungsdichte.According to an advantageous embodiment, it is provided that the flakes are arranged at least partially perpendicular to the second side of the intermediate layer. Graphene as a monoatomic carbon layer, for example in the form of flakes, shows an extremely high thermal conductivity in the plane, which at up to 3000 W / mK is still well above the value of copper. Thus, the flakes in the plane have an extremely high thermal conductivity. In multilayer graphs or macroscopic films, the thermal conductivity also shows anisotropy with high values in the direction of the graphene layers. A cover layer designed as a graphene layer with system-optimized flakes, i.e. arranged locally perpendicular to the intermediate layer, advantageously optimizes the heat dissipation below the power component. By structuring the graphene film, in which flakes are aligned perpendicular to the second side of the intermediate layer, a system-optimized heat flow management is implemented. The technology thus enables the implementation of power modules with a higher power density through system-optimized heat flow management.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass wenigstens 50% der Flakes, vorzugsweise wenigstens 70% der Flakes, insbesondere vorzugsweise wenigstens 90% der Flakes in der Deckschicht senkrecht zur zweiten Seite der Zwischenschicht angeordnet sind. Ist ein hoher Prozentsatz der Flakes senkrecht zu der Zwischenschicht ausgerichtet, so kann die Wärme vom dem Leistungsbauelement vorteilhaft gut senkrecht zur Zwischenschicht von dem Leistungsbauelement an die Zwischenschicht abgeleitet werden.According to an advantageous embodiment it is provided that at least 50% of the flakes, preferably at least 70% of the flakes, in particular preferably at least 90% of the flakes in the cover layer are arranged perpendicular to the second side of the intermediate layer. If a high percentage of the flakes are oriented perpendicular to the intermediate layer, then the heat from the power component can advantageously be dissipated from the power component to the intermediate layer at right angles to the intermediate layer.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Deckschicht ein Bindermaterial zur thermischen Anbindung des Graphens an die Zwischenschicht umfasst. Durch das Bindermaterial kann das Graphen in der Deckschicht vorteilhaft gut wärmeleitend an die Zwischenschicht angebunden sein. So kann in dem Leistungsbauelement entstehende Wärme vorteilhaft gut an die Zwischenschicht und damit an den Kühlkörper abgeleitet werden. Das Bindermaterial kann beispielsweise ein thermal interface material oder ein Polymervergussmaterial sein. Dabei ist das Bindermaterial insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen über 140°C geeignet.According to an advantageous embodiment, it is provided that the cover layer comprises a binder material for thermal bonding of the graphene to the intermediate layer. By virtue of the binder material, the graphene in the cover layer can advantageously be connected to the intermediate layer with good thermal conductivity. In this way, heat generated in the power component can advantageously be dissipated well to the intermediate layer and thus to the heat sink. The binder material can be, for example, a thermal interface material or a polymer potting material. The binder material is particularly suitable for use at temperatures above 140 ° C.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkörper aus Graphit und/oder Graphen ausgebildet ist. Ist der Kühlkörper aus Graphit und/oder Graphen ausgebildet, so entstehen im Leistungsmodul insgesamt geringere mechanische Spannungen bei Änderungen der Temperatur, da die Deckschicht und der Kühlkörper ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und sich somit bei Temperaturänderungen in ähnlichem Ausmaß verformen.According to an advantageous embodiment, it is provided that the heat sink is made of graphite and / or graphene. If the heat sink is made of graphite and / or graphene, overall lower mechanical stresses arise in the power module when the temperature changes, since the cover layer and the heat sink have similar coefficients of thermal expansion and thus deform to a similar extent when the temperature changes.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht aus einem keramischen Material vorzugsweise mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist. Das keramische Material hat ein vorteilhaft hohes elektrisches Isoliervermögen und weist vorteilhaft auch eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Somit ist die Deckschicht gegenüber dem Kühlkörper vorteilhaft gut elektrisch isoliert. Gleichzeitig kann durch die hohe thermische Leitfähigkeit des keramischen Materials aber die in dem Leistungsbauelement entstehende Wärme über das keramische Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit vorteilhaft gut an den Kühlkörper abgeleitet werden. According to an advantageous embodiment, it is provided that the intermediate layer is formed from a ceramic material, preferably with high thermal conductivity. The ceramic material has an advantageously high electrical insulating capacity and advantageously also has a high thermal conductivity. The cover layer is thus advantageously well electrically insulated from the heat sink. At the same time, however, due to the high thermal conductivity of the ceramic material, the heat generated in the power component can advantageously be dissipated well to the heat sink via the ceramic material with high thermal conductivity.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid ausgebildet ist. Bei Verwendung einer Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminiumnitrid (AIN) als Zwischenschicht kann mehr Wärme in der Richtung senkrecht zur zweiten Seite der Zwischenschicht an den Kühlkörper abgeführt werden. Somit kann die benötigte Schaltungsträgerfläche für das Leistungsbauelement, das beispielsweise als Halbleiter ausgebildet ist, deutlich verringert werden. Dadurch können trotz höherer Kosten für die als Keramik ausgebildete Zwischenschicht die Systemkosten insgesamt vorteilhaft verringert werden. Alternativ kann durch die aus Aluminiumnitrid ausgebildete Zwischenschicht die Schaltfrequenz des Leistungsbauelements vorteilhaft erhöht werden.According to an advantageous embodiment it is provided that the intermediate layer is formed from aluminum nitride. If a ceramic with high thermal conductivity such as aluminum nitride (AlN) is used as the intermediate layer, more heat can be dissipated to the heat sink in the direction perpendicular to the second side of the intermediate layer. The circuit carrier area required for the power component, which is embodied as a semiconductor, for example, can thus be significantly reduced. As a result, the overall system costs can advantageously be reduced in spite of the higher costs for the intermediate layer embodied as ceramic. Alternatively, the switching frequency of the power component can advantageously be increased by the intermediate layer formed from aluminum nitride.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht mit der ersten Seite mit der Oberseite des Kühlkörpers in direktem Kontakt steht und/oder die Zwischenschicht mit der zweiten Seite mit der Kontaktseite der Deckschicht in direktem Kontakt steht. Dabei können insbesondere die Flakes aus Graphen mit der Oberseite des Kühlkörpers und/oder mit der Kontaktseite der Deckschicht in direktem Kontakt stehen.According to an advantageous embodiment, it is provided that the first side of the intermediate layer is in direct contact with the top side of the heat sink and / or the second side of the intermediate layer is in direct contact with the contact side of the cover layer. In particular, the flakes made of graph with the The top of the heat sink and / or are in direct contact with the contact side of the cover layer.

FigurenlisteFigure list

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls aus dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls.

An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. Show it

1 a schematic representation of a power module from the prior art,
2 a schematic representation of an embodiment of the power module according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Das erfindungsgemäße Leistungsmodul 1 kann vielfältige Anwendung finden, beispielsweise als Teil eines Inverters oder Konverters in der Kraftfahrzeugtechnik. Beispielsweise kann das Leistungsmodul 1 in einem auch als Wechselrichter bezeichneten Inverter für den Betrieb einer elektrischen Maschine beispielsweise von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.The power module according to the invention 1 can be used in many ways, for example as part of an inverter or converter in automotive engineering. For example, the power module 1 can be used in an inverter, also known as an inverter, for operating an electrical machine, for example of hybrid or electric vehicles.

In 1 ist ein Leistungsmodul 1 aus dem Stand der Technik dargestellt. Im Stand der Technik dient ein IMS-Substrat als Trägersubstrat für elektrische und/oder elektronische Leistungsbauelemente 40. Der Aufbau von IMS-Substraten ist in 1 schematisch dargestellt. IMS-Substrate (isolierte Metallsubstrate) bestehen aus einem Kühlkörper 10, der beispielsweise auch als Metallplatte ausgebildet sein kann, aus einer Deckschicht 30, die auch als Metallplatte ausgebildet sein kann, und aus einer zwischen der Deckschicht 30 und dem Kühlkörper 10 angeordneten Zwischenschicht 20. Die Zwischenschicht 20 ist elektrisch isolierend und isoliert die Deckschicht 30 elektrisch von dem Kühlkörper 10. Die Zwischenschicht 20 ist dafür aus einem Dielektrikum, beispielsweise aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Deckschicht 30 kann beispielsweise in Leiterbahnen und/oder Leiterflächen untergliedert sein, über die die Leistungsbauelemente 40 elektrisch miteinander und mit außerhalb des Leistungsmoduls 1 angeordneten weiteren elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen verbunden ist.In 1 is a power module 1 shown from the prior art. In the prior art, an IMS substrate is used as a carrier substrate for electrical and / or electronic power components 40 . The structure of IMS substrates is in 1 shown schematically. IMS substrates (insulated metal substrates) consist of a heat sink 10 , which can also be designed as a metal plate, for example, from a cover layer 30th , which can also be designed as a metal plate, and one between the cover layer 30th and the heat sink 10 arranged intermediate layer 20th . The intermediate layer 20th is electrically insulating and insulates the top layer 30th electrically from the heat sink 10 . The intermediate layer 20th is formed for this purpose from a dielectric, for example from a ceramic material. The top layer 30th can for example be subdivided into conductor tracks and / or conductor surfaces, via which the power components 40 electrically with each other and with outside the power module 1 arranged further electrical and / or electronic components is connected.

Der Kühlkörper 10 ist dabei zur Spreizung und Ableitung von Wärme vorgesehen und besteht beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Die Zwischenschicht 20 ist als Isolationsschicht ausgebildet und zwischen dem Kühlkörper 10 und der Deckschicht 30 angeordnet und trennt den Kühlkörper 10 von der Deckschicht 30. Dabei ist die Zwischenschicht 20 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Material auf Epoxidbasis oder einer Keramik ausgebildet. Die Deckschicht 30 des IMS-Substrats ist dazu vorgesehen Strom zu leiten. Die Deckschicht 30 kann beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Die Deckschicht 30 weist beispielsweise eine geringere Dicke als der Kühlkörper 10 auf.The heat sink 10 is provided for spreading and dissipating heat and consists, for example, of a metal such as aluminum or copper. The intermediate layer 20th is designed as an insulation layer and between the heat sink 10 and the top layer 30th arranged and separates the heat sink 10 from the top layer 30th . Here is the intermediate layer 20th formed from an electrically insulating material such as an epoxy-based material or a ceramic. The top layer 30th of the IMS substrate is intended to conduct electricity. The top layer 30th can for example be made of copper. The top layer 30th has, for example, a smaller thickness than the heat sink 10 on.

IMS-Substrate, wie beispielsweise DBC-Substrate (Direct Bonded Copper-Substrate) sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Dabei werden im Stand der Technik auf die Deckschicht 30, die beispielsweise in der Form von Leiterbahnen ausgebildet ist, elektrische und/oder elektronische Leistungsbauelemente 40 aufgebracht. Der Kühlkörper 10 kann beispielsweise als Kupferplatte ausgebildet sein, die wiederum auf einer Kühlvorrichtung aufgesetzt ist, an die sie die Wärme abgibt. Der Kühlkörper 10 des Leistungsmoduls 1 kann aber auch beispielsweise, wie in 1 dargestellt, selbst Strukturen zur großflächigen Abfuhr von Wärme, wie beispielsweise Pin-Fins, aufweisen, über die die Wärme an Luft oder ein anderes umgebendes Medium abgeleitet wird.IMS substrates, such as DBC substrates (Direct Bonded Copper Substrates), are available in different designs. In the prior art, this is done on the top layer 30th , which is designed for example in the form of conductor tracks, electrical and / or electronic power components 40 upset. The heat sink 10 can for example be designed as a copper plate, which in turn is placed on a cooling device to which it gives off the heat. The heat sink 10 of the power module 1 but can also, for example, as in 1 shown, even have structures for large-area dissipation of heat, such as pin-fins, via which the heat is dissipated to air or another surrounding medium.

In dem in 1 dargestellten Leistungsmodul 1 ist der Schaltungsträger für die Leistungsbauelemente 40 als DBC-Substrat (Direct Bonded Copper-Substrat) ausgebildet. Dabei sind der Kühlkörper 10 und die Deckschicht 30 aus Kupfer (Cu) ausgebildet und die Zwischenschicht 20 ist aus Aluminiumoxid (AI203) ausgebildet. Wie in 1 dargestellt, dient die Deckschicht 30 der elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements 40. Gleichzeitig dient die aus Kupfer ausgebildete Deckschicht 30 als Heatspreader für die im Leistungsbauelement 40 anfallende Verlustwärme. Ein Heatspreader wird benötigt, um die Verlustwärme des Leistungsbauelements 40 in der Deckschicht 30 auf eine größere Fläche zu verteilen, auf der dann die durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit thermisch begrenzende Zwischenschicht 20 die Wärme zum Kühlkörper 10 transportieren kann. Der Wärmefluss vom wärmeerzeugenden Leistungsbauelement 40 über die Deckschicht 30 und die Zwischenschicht 20 zum Kühlkörper 10 ist in 1 durch Pfeile dargestellt. Die Fläche, die ein Leistungsbauelement 40, beispielsweise ein Leistungshalbleiter, auf dem Schaltungsträger benötigt, entspricht mindestens der Fläche, die zur Wärmeabfuhr durch die Keramik benötigt wird. Dies spielt insbesondere eine Rolle bei SiC Halbleitern, bei denen potentiell mehr Verlustleistung auf kleinerem Raum entsteht.In the in 1 power module shown 1 is the circuit carrier for the power components 40 designed as a DBC substrate (direct bonded copper substrate). Here are the heat sink 10 and the top layer 30th made of copper (Cu) and the intermediate layer 20th is made of aluminum oxide (AI203). As in 1 shown, the top layer is used 30th the electrical contacting of the power component 40 . At the same time, the cover layer made of copper is used 30th as a heat spreader for those in the power component 40 accruing heat loss. A heat spreader is required to remove the heat loss from the power component 40 in the top layer 30th to distribute over a larger area, on which then the thermally limiting intermediate layer due to a low thermal conductivity 20th the heat to the heat sink 10 can transport. The heat flow from the heat generating power component 40 over the top layer 30th and the intermediate layer 20th to the heat sink 10 is in 1 represented by arrows. The area covered by a power device 40 , for example a power semiconductor, required on the circuit carrier, corresponds at least to the area that is required for heat dissipation through the ceramic. This is particularly important in the case of SiC semiconductors, which potentially have more power loss in a smaller space.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1. Das Leistungsmodul 10 umfasst drei Lagen 10,20,30. Die drei Lagen 10,20,30 sind übereinandergestapelt. Die drei übereinander gestapelten Lagen 10,20,30 bilden zusammen ein Trägersubstrat für elektrische und/oder elektronische Leistungsbauelemente 40. Die drei Lagen 10,20,30 umfassen einen Kühlkörper 10, eine Zwischenschicht 20 und eine Deckschicht 30. Dabei sind die Lagen 10,20,30 so gestapelt, dass die Zwischenschicht 20 zwischen dem Kühlkörper 10 und der Deckschicht 30 angeordnet ist. 2 shows an embodiment of the power module according to the invention 1 . The power module 10 comprises three layers 10,20,30. The three layers 10, 20, 30 are stacked on top of each other. The three layers 10, 20, 30 stacked on top of one another form a carrier substrate for electrical and / or electronic power components 40 . The three layers 10, 20, 30 include a heat sink 10 , an intermediate layer 20th and a top layer 30th . The layers 10, 20, 30 are stacked so that the Intermediate layer 20th between the heat sink 10 and the top layer 30th is arranged.

An dem Kühlkörper 10 ist eine Oberseite 12 ausgebildet. Die Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 ist vorzugsweise als ebene Fläche ausgebildet. Die Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 ist der Zwischenschicht 20 des Leistungsmoduls 1 zugewandt. An der von der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 abgewandten Seite des Kühlkörpers 10 sind beispielsweise Strukturen zur Verbesserung der Wärmeableitung ausgebildet. Als Strukturen zur Verbesserung der Wärmeableitung können beispielsweise Rippen, Stifte oder Kanäle, ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind als Strukturen zur Verbesserung der Wärmeableitung an der von der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 abgewandten Seite Stifte an dem Kühlkörper 10 ausgebildet. Die Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine ebene Fläche. Der Kühlkörper 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel in einer Richtung senkrecht zu der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 eine Dicke auf, die sowohl größer ist als eine Dicke der Zwischenschicht 20 in derselben Richtung als auch größer ist als eine Dicke der Deckschicht 30 in derselben Richtung. Die von der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 abgewandte Seite des Kühlkörpers 10 kann aber beispielsweise auch ohne Strukturen ausgebildet sein und beispielsweise als ebene Fläche ausgebildet sein. So kann der Kühlkörper 10 beispielsweise plattenartig mit einer ebenen Oberseite 12 und einer von der Oberseite 12 abgewandten ebenen Unterseite, die beispielsweise planparallel zu der Oberseite 12 verläuft, ausgebildet sein.
Der Kühlkörper 10 ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, ausgebildet. Der Kühlkörper 10 kann auch teilweise oder ganz aus Graphit und/oder Graphen ausgebildet sein.On the heat sink 10 is a top 12th educated. The top 12th of the heat sink 10 is preferably designed as a flat surface. The top 12th of the heat sink 10 is the intermediate layer 20th of the power module 1 facing. At the top 12th of the heat sink 10 remote side of the heat sink 10 For example, structures are designed to improve heat dissipation. For example, ribs, pins or channels can be designed as structures for improving the heat dissipation. In this exemplary embodiment, structures for improving heat dissipation are on the top 12th of the heat sink 10 remote side pins on the heat sink 10 educated. The top 12th of the heat sink 10 is a flat surface in this embodiment. The heat sink 10 points in this embodiment in a direction perpendicular to the top 12th of the heat sink 10 a thickness that is both greater than a thickness of the intermediate layer 20th in the same direction as is also greater than a thickness of the cover layer 30th in the same direction. The one from the top 12th of the heat sink 10 remote side of the heat sink 10 but can, for example, also be designed without structures and, for example, be designed as a flat surface. So can the heat sink 10 for example, plate-like with a flat top 12th and one from the top 12th facing away from the flat bottom, for example plane-parallel to the top 12th runs, be formed.
The heat sink 10 is made of a material with high thermal conductivity, such as copper or aluminum. The heat sink 10 can also be partially or entirely made of graphite and / or graphene.

Die Zwischenschicht 20 ist vorzugsweise als ebene Schicht ausgebildet. An der Zwischenschicht 20 sind eine erste Seite 21 der Zwischenschicht 20 und eine zweite Seite 22 der Zwischenschicht 20 ausgebildet. Die erste Seite 21 der Zwischenschicht 20 ist vorzugsweise als ebene Fläche ausgebildet. Die zweite Seite 22 der Zwischenschicht 20 ist vorzugsweise als ebene Fläche ausgebildet. Die erste Seite 21 der Zwischenschicht 20 ist der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 zugewandt. Die erste Seite 21 der Zwischenschicht 20 steht in direktem Kontakt mit der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 und ist mit dieser beispielsweise auch stoffschlüssig verbunden. Die zweite Seite 22 der Zwischenschicht 20 ist einer Kontaktseite 31 der Deckschicht 30 zugewandt. Die zweite Seite 22 der Zwischenschicht 20 steht mit der Kontaktseite 31 der Deckschicht 30 in direktem Kontakt und ist mit dieser beispielsweise auch stoffschlüssig verbunden. Die Zwischenschicht 20 ist beispielsweise elektrisch isolierend. Die Zwischenschicht 20 beabstandet die Deckschicht 30 vom Kühlkörper 10 und isoliert die Deckschicht 30 elektrisch vom Kühlkörper 10. Die Zwischenschicht 20 weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf um Wärme von der Deckschicht 30 an den Kühlkörper 10 abzuleiten. Die Zwischenschicht 20 ist beispielsweise aus einem keramischen Material, beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, ausgebildet. Die Zwischenschicht 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer Richtung senkrecht zu der Oberseite 12 des Kühlkörpers 10 von der ersten Seite 21 bis zur zweiten Seite 22 durchgehend aus demselben Material und einstückig ausgebildet.The intermediate layer 20th is preferably designed as a flat layer. On the intermediate layer 20th are a first page 21 the intermediate layer 20th and a second page 22nd the intermediate layer 20th educated. The first page 21 the intermediate layer 20th is preferably designed as a flat surface. The second side 22nd the intermediate layer 20th is preferably designed as a flat surface. The first page 21 the intermediate layer 20th is the top 12th of the heat sink 10 facing. The first page 21 the intermediate layer 20th is in direct contact with the top 12th of the heat sink 10 and is also connected to it in a materially bonded manner, for example. The second side 22nd the intermediate layer 20th is a contact page 31 the top layer 30th facing. The second side 22nd the intermediate layer 20th stands with the contact page 31 the top layer 30th in direct contact and is, for example, also materially connected to it. The intermediate layer 20th is, for example, electrically insulating. The intermediate layer 20th spaced the top layer 30th from the heat sink 10 and insulates the top layer 30th electrically from the heat sink 10 . The intermediate layer 20th has a high thermal conductivity to heat from the top layer 30th to the heat sink 10 derive. The intermediate layer 20th is formed for example from a ceramic material, for example from aluminum nitride or aluminum oxide. The intermediate layer 20th is in this embodiment in a direction perpendicular to the top 12th of the heat sink 10 from the first page 21 up to the second page 22nd consistently made of the same material and in one piece.

Die Deckschicht 30 ist auf der zweiten Seite 22 der Zwischenschicht 20 angeordnet und an der Deckschicht 30 ist eine Kontaktseite 31 ausgebildet, die der zweiten Seite 22 der Zwischenschicht 20 zugewandt ist. Die Kontaktseite 31 der Deckschicht 30 haftet in diesem Ausführungsbeispiel stoffschlüssig an der zweiten Seite 22 der Zwischenschicht 20 an. Die Deckschicht 30 ist teilweise oder vollständig aus Graphen ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Deckschicht 30 Flakes aus Graphen. Unter Flakes aus Graphen werden dabei ebene Graphen-Plättchen verstanden. Die Flakes weisen in ihrer flächigen Erstreckung eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit auf. Somit kann durch das Graphen und insbesondere durch die Graphen-Flakes in der Deckschicht 30 Wärme besonders von dem Leistungsbauelement 40 an die Zwischenschicht 20 und an den Kühlkörper 10 abgeleitet werden. Die Graphen Flakes sind dabei in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise senkrecht zur zweien Seite 22 der Zwischenschicht 20 und/oder zur Oberseite 32 der Deckschicht 30 angeordnet. Die Herstellung einer solchen Deckschicht 30 mit senkrecht ausgerichteten Graphen Flakes kann beispielsweise aus Graphendispersionen oder Graphenoxiddispersionen über mikrofluidische Methoden bzw. über Ausrichtung der Flakes durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen. Zur besseren thermischen Anbindung des Graphens in der Deckschicht 30 kann die Deckschicht 30 ein Bindermaterial umfassen. Das Bindermaterial kann beispielsweise ein thermal interface material oder ein Polymervergussmaterial sein. Dabei ist das Bindermaterial insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen über 140°C geeignet.The top layer 30th is on the second page 22nd the intermediate layer 20th arranged and attached to the top layer 30th is a contact page 31 formed that of the second side 22nd the intermediate layer 20th is facing. The contact page 31 the top layer 30th adheres to the second side in a materially bonded manner in this exemplary embodiment 22nd the intermediate layer 20th on. The top layer 30th is partially or entirely made of graphene. In this embodiment, the cover layer comprises 30th Flakes made from graphene. Flakes made of graphene are understood to mean flat graphene platelets. The flakes have a particularly high thermal conductivity in their two-dimensional extension. Thus, through the graphene and in particular through the graphene flakes in the top layer 30th Heat especially from the power device 40 to the intermediate layer 20th and to the heat sink 10 be derived. In this exemplary embodiment, the graphene flakes are at least partially perpendicular to the two sides 22nd the intermediate layer 20th and / or to the top 32 the top layer 30th arranged. The production of such a top layer 30th With vertically aligned graphene flakes, for example, graphene dispersions or graphene oxide dispersions can be made using microfluidic methods or by aligning the flakes using electrical or magnetic fields. For better thermal bonding of the graphene in the top layer 30th can the top layer 30th comprise a binder material. The binder material can be, for example, a thermal interface material or a polymer potting material. The binder material is particularly suitable for use at temperatures above 140 ° C.

Der Kühlkörper 10, die Zwischenschicht 20 und die Deckschicht 30 bilden zusammen ein Trägersubstrat für elektrische und/oder elektronische Leistungsbauelemente 40 In 2 ist exemplarisch ein Leistungsbauelement 40 dargestellt. Die elektrisches und/oder elektronisches Leistungsbauelement 40 sind beispielsweise elektrisch mit der Deckschicht 30 kontaktiert. Die elektronischen Leistungsbauelemente 40 sind beispielsweise auf Leiterbahnabschnitten der Deckschicht 30 aufgebracht und elektrisch mit den Leiterbahnabschnitten der Deckschicht 30 kontaktiert. Die Leiterbahnabschnitte sind in der Graphenschicht beispielsweise über Zuleitungspfade mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet. Bei den elektrischen und/oder elektronischen Leistungsbauelementen 40 kann es sich beispielsweise um Leistungshalbleiter wie beispielsweise Feldeffekttransistoren wie MIS-FETs (Metal Insulated Semiconductor Field Effect Transistor), IGBTs (insulated-gate bipolar transistor), Leistungs-MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistor) und/oder Dioden, beispielsweise Gleichrichterdioden, handeln. Es kann sich beispielsweise um gehäuselose Leistungshalbleiter (Bare-Die) handeln. Als Halbleitermaterialen können beispielsweise Galiumnitrid (GaN) oder Siliciumcarbid (SiC) vorgesehen sein. Weiterhin kann das Leistungsmodul 1 auch passive Bauelemente wie beispielsweise Widerstände oder Kondensatoren umfassen. Die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente und/oder elektrischen und/oder elektronischen Leistungsbauelemente 40 können untereinander oder mit außerhalb des Leistungsmoduls 1 angeordneten und in den Figuren nicht dargestellten weiteren elektrischen und/oder elektronischen Elementen beispielsweise über die Leiterbahnabschnitte, über Bonddrähte oder andere geeignete elektrisch leitende Kontaktelemente beispielsweise durch Löten oder Sintern elektrisch leitend verbunden sein.The heat sink 10 , the intermediate layer 20th and the top layer 30th together form a carrier substrate for electrical and / or electronic power components 40 In 2 is an example of a power component 40 shown. The electrical and / or electronic power component 40 are for example electrical with the top layer 30th contacted. The electronic power components 40 are for example on conductor track sections of the cover layer 30th applied and electrically to the conductor track sections of the cover layer 30th contacted. The conductor track sections are formed in the graphene layer, for example via lead paths with high electrical conductivity. In the case of electrical and / or electronic power components 40 For example, it can be power semiconductors such as field effect transistors such as MIS-FETs (Metal Insulated Semiconductor Field Effect Transistors), IGBTs (insulated-gate bipolar transistors), power MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) and / or diodes, for example rectifier diodes , Act. It can, for example, be power semiconductors without a housing (bare die). For example, galium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) can be provided as semiconductor materials. Furthermore, the power module 1 also include passive components such as resistors or capacitors. The electrical and / or electronic components and / or electrical and / or electronic power components 40 can with each other or with outside the power module 1 arranged and not shown in the figures further electrical and / or electronic elements, for example via the conductor track sections, via bonding wires or other suitable electrically conductive contact elements, for example by soldering or sintering, be connected in an electrically conductive manner.

Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.Of course, further exemplary embodiments and mixed forms of the exemplary embodiments shown are also possible.

Claims

Power module (1), comprising at least three layers stacked one on top of the other, including: at least one heat sink (10) with an upper side (12), - at least one electrically insulating intermediate layer arranged on the upper side (12) of the heat sink (10) and extending over a large area (20) with a first side (21) facing the top side (12) of the heat sink (10) and a second side (22) facing away from the first side (21), - at least one on the second side (22) of the intermediate layer ( 20) arranged cover layer (30) with a contact side (31), which faces the second side (22) of the intermediate layer (20), and an upper side (32) of the cover layer (30), which from the contact side (31) of the cover layer (30) facing away, wherein the power module (1) further comprises at least one electrical and / or electronic power component (40) which is arranged on the top (32) of the cover layer (30), characterized in that the cover layer (30) at least is partially formed from graphene.

Power module according to Claim 1 , characterized in that the cover layer (30) is made of pure graphene.

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer (30) comprises flakes made of graphene.

Power module according to Claim 3 , characterized in that the flakes are arranged at least partially perpendicular to the second side (22) of the intermediate layer (20) and / or to the top side (32) of the cover layer (30).

Power module according to Claim 3 or 4th , characterized in that at least 50% of the flakes, preferably at least 70% of the flakes, in particular preferably at least 90% of the flakes in the top layer (30) perpendicular to the second side (22) of the intermediate layer (20) and / or to the top (32 ) the cover layer (30) are arranged.

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer (30) comprises a binder material for thermal bonding of the graphene to the intermediate layer (20).

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (10) is at least partially made of graphite and / or graphene.

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate layer (20) is formed from a ceramic material.

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate layer (20) is formed from aluminum nitride.

Power module according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate layer (20) with the first side (21) is in direct contact with the top (12) of the heat sink (10) and / or the intermediate layer (20) with the second side (22) is in direct contact with the contact side (31) of the cover layer (30).