DE102015104880A1 - power module - Google Patents

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DE102015104880A1
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layer
power module
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circuit
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Application number
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German (de)
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Aylin Bicakci
Frank Osterwald
Jacek Rudzki
Ronald Eisele
Tino Filipiak-Ressel
Holger Ulrich
Klaus Olesen
Rüdiger Bredtmann
Ole Mühlfeld
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Danfoss Silicon Power GmbH
Original Assignee
Danfoss Silicon Power GmbH
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Abstract

Eine Vorrichtung, die ein Leistungsmodul und eine elektrische Maschine umfasst, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl von Komponenten umfasst, die an einer Schaltkreisschicht befestigt sind, und wobei das Leistungsmodul und die elektrische Maschine durch eine Laminierung der elektrischen Maschine, einer Isolationsschicht und der Schaltkreisschicht physisch miteinander verbunden sind (derart, dass das Leistungsmodul ein integraler Teil der elektrischen Maschine ist).A device comprising a power module and an electrical machine, wherein the power module comprises a plurality of components attached to a circuit layer, and wherein the power module and the electrical machine physically interconnect each other by laminating the electrical machine, an insulating layer, and the circuit layer are connected (such that the power module is an integral part of the electric machine).

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungsmodule. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Integration eines Leistungsmoduls in eine elektrische Maschine.The present invention relates to power modules. In particular, the invention relates to the integration of a power module in an electrical machine.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Elektrische Antriebe, wie man sie beispielsweise für den Betrieb eines elektrischen Servolenkungssystems in Motorfahrzeugen benötigt, sind häufig mit integrierten Leistungsausgabestufen und Steuergeräten ausgestattet. Die Leistungsausgabestufe kann ein Leistungsmodul umfassen, das in der Nähe eines Dreiphasenmotors in einem separaten Gehäuse angeordnet ist. Die Steuereinheit, das Leistungsmodul und der Motor sind oft miteinander mittels Kabelführungen oder Metallschienen verbunden. Diese Lösung hat den Nachteil erhöhter Aufwendungen für Gehäuseteile, Verkabelung und Abschirmungsanforderungen. Dies führt zu beträchtlichen Anforderungen hinsichtlich des Installationsraums und auch zu zusätzlichem Gewicht und hohen Produktionskosten auf Systemniveau.Electric drives, such as those required for operation of an electric power steering system in motor vehicles, are often equipped with integrated power output stages and controllers. The power output stage may include a power module disposed in the vicinity of a three-phase motor in a separate housing. The control unit, the power module and the motor are often connected to each other by means of cable guides or metal rails. This solution has the disadvantage of increased expenditures for housing parts, cabling and shielding requirements. This leads to considerable requirements in terms of installation space and also to additional weight and high system-level production costs.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, mindestens einige der oben angesprochenen Aufgaben anzugehen.The present invention aims to address at least some of the above-mentioned objects.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung (wie beispielsweise ein Motorantriebssystem) bereit, die ein Leistungsmodul und eine elektrische Maschine (wie beispielsweise einen Motor, typischerweise einen Dreiphasenmotor) umfasst, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl von Komponenten umfasst, die an einer Schaltkreisschicht befestigt sind und wobei das Leistungsmodul und die elektrische Maschine durch eine Laminierung der (/des Gehäuses der) elektrischen Maschine (beispielsweise des Gehäuses oder der Lagerplatte der elektrischen Maschine), einer Isolationsschicht und der Schaltkreisschicht physisch miteinander verbunden sind (derart, dass das Leistungsmodul ein integraler Bestandteil der elektrischen Maschine ist).The present invention provides an apparatus (such as a motor drive system) that includes a power module and an electrical machine (such as a motor, typically a three-phase motor), wherein the power module includes a plurality of components attached to a circuit layer, and wherein the power module and the electric machine are physically interconnected by lamination of the electrical machine's housing (eg, the housing or bearing plate of the electric machine), an insulating layer, and the circuit layer (such that the power module is an integral part of the electrical system) Machine is).

Die Isolationsschicht isoliert typischerweise das Leistungsmodul und die Schaltkreisschicht elektrisch von der elektrischen Maschine.The insulating layer typically electrically isolates the power module and the circuit layer from the electrical machine.

Die Schaltkreisschicht kann ein Leiterrahmen sein.The circuit layer may be a lead frame.

Die Vielzahl von Komponenten kann eine Vielzahl von Halbleitern enthalten. Die Vielzahl von Komponenten (, die z. B. Halbleiter enthält) kann an der Schaltkreisschicht mittels Sintern befestigt sein (Löten ist eine Alternative). In einer Ausführungsform sind Halbleiter (und/oder andere Komponenten) an einen Leiterrahmen gesintert, wobei der Leiterrahmen mit der Isolationsschicht verbunden ist und der Leiterrahmen und die Isolationsschicht an die Oberfläche eines Motors (oder einer anderen elektrischen Maschine) laminiert sind, der durch das Leistungsmodul angetrieben ist.The plurality of components may include a plurality of semiconductors. The plurality of components (including, for example, semiconductors) may be attached to the circuit layer by sintering (soldering is an alternative). In one embodiment, semiconductors (and / or other components) are sintered to a leadframe with the leadframe connected to the insulation layer and the leadframe and insulation layer laminated to the surface of a motor (or other electrical machine) passing through the power module is driven.

Die Isolationsschicht kann ein Epoxid-Harz sein, das mit thermisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt ist. Auf diese Weise kann die Isolationsschicht elektrisch isolierend sein, aber mit den thermisch leitfähigen Füllstoffen ein Maß an thermischer Leitfähigkeit bereitstellen. Während des Laminierungsverfahrens werden typischerweise Wärme und/oder Druck auf das Epoxid-Harz ausgeübt.The insulating layer may be an epoxy resin filled with thermally conductive fillers. In this way, the insulating layer may be electrically insulating, but provide a measure of thermal conductivity with the thermally conductive fillers. During the lamination process, heat and / or pressure is typically applied to the epoxy resin.

Die Schaltkreisschicht kann eine Kupferschicht sein. Das Kupfer kann „gestanzt” sein, um die Schaltkreisgestalt (beispielsweise den Leiterrahmen) bereitzustellen. Alternativen sind möglich (wie beispielsweise Ätzen oder Schneiden der Kupferschicht).The circuit layer may be a copper layer. The copper may be "stamped" to provide the circuit shape (eg, the leadframe). Alternatives are possible (such as etching or cutting the copper layer).

Die Vorrichtung kann ferner eine Verkapselungsschicht umfassen, die auf der Schaltkreisschicht und der Vielzahl von Komponenten aufgebracht ist. Die Verkapselungsschicht kann durch Ausbringen eines Harzes innerhalb vorgegebener Grenzen gebildet sein. Die Grenzen können durch zusätzliche Harzwände (die beispielsweise eine so genannte „dam and fill”-Verkapselung bereitstellen), vorgegeben sein. Es gibt Alternativen, wie beispielsweise das Bereitstellen eines preisgünstigen Plastikrahmens, um die Grenzen vorzugeben, oder durch Verwenden der elektrischen Maschine selbst, um die Grenzen vorzugeben (beispielsweise durch Hochbauen eines Teils der elektrischen Maschine, oder durch Ätzen oder Einarbeiten einer Ausnehmung in die elektrische Maschine).The device may further include an encapsulation layer deposited on the circuit layer and the plurality of components. The encapsulation layer may be formed by dispensing a resin within predetermined limits. The boundaries may be dictated by additional resin walls (for example, providing a so-called "dam and fill" encapsulant). There are alternatives, such as providing an inexpensive plastic frame to set the limits, or by using the electric machine itself to set the limits (for example, by building up a part of the electric machine, or by etching or incorporating a recess in the electric machine ).

Die Komponenten können einen oder mehrere Anschlüsse aufweisen, die senkrecht zur Schaltkreisschicht eingerichtet sind. In einem verkapselten System können sich die Anschlüsse über die Verkapselung hinaus erstrecken und das Herstellen von Verbindungen mit dem verkapselten Schaltkreis ermöglichen. Eine Vielzahl von Anschlüssen kann bereitgestellt sein. Die Anschlüsse können als eine Anordnung von Anschlüssen angeordnet sein, die eine Buchse mit vielen Anschlüssen bildet.The components may include one or more terminals configured perpendicular to the circuit layer. In an encapsulated system, the terminals may extend beyond the encapsulant and allow connections to the encapsulated circuit. A plurality of terminals may be provided. The terminals may be arranged as an array of terminals forming a multi-terminal jack.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Leistungsmoduls, das ein Leistungsmodul und eine elektrische Maschine (wie beispielweise einen Motor) umfasst, bereit, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl von Komponenten (wie Halbleiter) umfasst, die an einer Schaltkreisschicht befestigt sind, wobei das Verfahren ein Laminieren der elektrischen Maschine (beispielsweise des Gehäuses oder der Lagerplatte der elektrischen Maschine), einer Isolationsschicht (wie beispielsweise eines Epoxid-Harzes, das mit thermisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt ist) und der Schaltkreisschicht umfasst. Auf diese Weise kann das Leistungsmodul ein integraler Bestandteil der elektrischen Maschine werden.The present invention also provides a method of manufacturing an integrated power module including a power module and an electric machine (such as a motor), wherein the power module comprises a plurality of components (such as semiconductors) attached to a circuit layer, the method comprising laminating the electric machine (for example, the housing or the bearing plate of the electric machine), an insulating layer (such as an epoxy resin, which is filled with thermally conductive fillers) and the circuit layer. In this way, the power module can become an integral part of the electric machine.

Das Befestigen der Vielzahl von Komponenten an der Schaltkreisschicht kann ein Sintern mindestens einiger der Vielzahl von Komponenten an die Schaltkreisschicht enthalten.Attaching the plurality of components to the circuit layer may include sintering at least some of the plurality of components to the circuit layer.

Das Verfahren kann ferner ein Aufbringen einer Verkapselungsschicht auf die Schaltkreisschicht und die Vielzahl von Komponenten umfassen. Die Verkapselungsschicht kann beispielsweise durch Ausbringen eines Harzes innerhalb vorgegebener Grenzen gebildet werden. Die Grenzen können durch zusätzliche Harzwände (die beispielsweise eine so genannte „dam and fill”-Verkapselung bereitstellen) vorgegeben sein. Es gibt Alternativen, wie das Bereitstellen eines preisgünstigen Plastikrahmens, um die Grenzen vorzugeben oder durch Verwenden der elektrischen Maschine selbst, um die Grenzen vorzugeben (beispielsweise durch Hochbauen eines Teils der elektrischen Maschine, oder durch Ätzen oder Einarbeiten einer Ausnehmung in die elektrische Maschine).The method may further include applying an encapsulation layer to the circuit layer and the plurality of components. The encapsulation layer can be formed, for example, by applying a resin within predetermined limits. The boundaries may be dictated by additional resin walls (providing, for example, a so-called "dam and fill" encapsulation). There are alternatives, such as providing an inexpensive plastic frame to set the limits, or by using the electric machine itself to set the limits (for example, by building up a part of the electric machine, or by etching or incorporating a recess in the electric machine).

Das Verfahren kann ferner das Bereitstellen eines oder mehrerer Anschlüsse umfassen, die senkrecht zur Schaltkreisschicht eingerichtet sind. In einem verkapselten System können sich die Anschlüsse über die Verkapselung hinaus erstrecken und das Herstellen von Verbindungen mit dem verkapselten Schaltkreis ermöglichen. Eine Vielzahl von Anschlüssen kann bereitgestellt werden (beispielsweise, um eine Buchse mit mehreren Anschlüssen bereitzustellen).The method may further include providing one or more terminals configured perpendicular to the circuit layer. In an encapsulated system, the terminals may extend beyond the encapsulant and allow connections to the encapsulated circuit. A plurality of ports may be provided (for example, to provide a multi-ported jack).

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:The invention will be described in greater detail below with reference to the following schematic drawings, in which:

1 eine Aufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; 1 Fig. 11 is a plan view of an embodiment of the present invention;

2 ein Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; 2 Figure 3 is a cross section of an embodiment of the present invention;

3 ein Detail einer weiteren Ausführungsform eines Leistungsmoduls und einer elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; 3 shows a detail of another embodiment of a power module and an electric machine in accordance with an aspect of the present invention;

4 ein Querschnitt eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung ist; und 4 Fig. 12 is a cross section of another feature of the present invention; and

5 ein Flussdiagramm für beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. 5 a flow chart for exemplary embodiments of the method of the present invention shows.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

1 ist eine Aufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und in 2 ist ein Querschnitt derselben Ausführungsform gezeigt. Hierin veranschaulicht ist ein Abschnitt eines Motorantriebssystems, das ein Leistungsmodul 1 und eine elektrische Maschine, hier einen Schrittmotor, umfasst. Nur die Endlagerplatte 2 des Motors ist in 1 gezeigt. Die Endplatte 2 ist Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine und ist vorzugsweise von robuster Konstruktion. In diesem Fall ist die Endplatte 2 aus gegossenem Aluminium hergestellt, das eine Dicke und Form aufweist, die in der Lage sind, den Kräften, die für den Zusammenbau des Motors benötigt werden, zu widerstehen. Andere Materialien und Konstruktionen sind ebenfalls für die Konstruktion der Endlagerplatte geeignet, wie gezogenes Aluminium oder Aluminiumlegierung oder Metallgüsse. Diese Endlagerplatte 2 trägt das Endlager der Motorachse und für diesen Zweck ist in der Mitte der Platte 2 eine Ausnehmung 3 erzeugt. Während der Verwendung wird ein Lager in diese Ausnehmung eingepasst sein. In anderen Ausführungsformen kann die Achse durch die Lagerplatte hindurch verlaufen und zu diesem Zweck wird ein Loch bereitgestellt sein. 1 is a plan view of an embodiment of the present invention and in 2 a cross section of the same embodiment is shown. Illustrated herein is a portion of a motor drive system that is a power module 1 and an electric machine, here a stepper motor comprises. Only the final bearing plate 2 the engine is in 1 shown. The end plate 2 is part of the housing of the electric machine and is preferably of robust construction. In this case, the end plate 2 made of cast aluminum, which has a thickness and shape capable of withstanding the forces needed to assemble the motor. Other materials and constructions are also suitable for the construction of the final bearing plate, such as drawn aluminum or aluminum alloy or cast metal. This final bearing plate 2 carries the end bearing of the motor shaft and for this purpose is in the middle of the plate 2 a recess 3 generated. During use, a bearing will fit into this recess. In other embodiments, the axle may pass through the bearing plate and for this purpose a hole will be provided.

In diese Lagerplatte 2 ist ein Leistungsmodul integriert, das eine Vielzahl von Komponenten 4 umfasst, die auf einer Schaltkreisschicht 5 angebracht sind. Die Komponenten können Leistungsumschalttransistoren oder andere Halbleiter enthalten. Die Schaltkreisschicht 5 umfasst Leiterbahnen, die Strom- und Steuersignalen erlauben, von Leistungsanschlüssen und/oder Signalanschlüssen 6 zu laufen. Die Schaltkreisschicht 5 bildet einen Teil einer Mehrschichtlamination, die die Schaltkreisschicht 5, Isolationsschicht 7 und die Lagerplatte 2 umfasst. Die Isolationsschicht 7 hat gute thermische Leitungseigenschaften und ist deshalb in der Lage, effizient Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten 4 weg und in die Lagerplatte 2 hinein zu leiten.In this bearing plate 2 is a power module that integrates a variety of components 4 includes, on a circuit layer 5 are attached. The components may include power switching transistors or other semiconductors. The circuit layer 5 includes traces that allow power and control signals from power terminals and / or signal terminals 6 to run. The circuit layer 5 forms part of a multi-layer lamination, which is the circuit layer 5 , Insulation layer 7 and the bearing plate 2 includes. The insulation layer 7 has good thermal conduction properties and is therefore able to efficiently heat heat from the heat generating components 4 away and into the bearing plate 2 to lead into it.

Die Schaltkreisschicht 5 ist aus einer flachen Platte oder einem Film aus Metall gebildet, wie beispielsweise Kupfer, in das ein Muster von Leiterbahnen mittels Ätzen eingefügt worden ist. Alternative Verfahren zum Bilden solcher Muster von Leiterbahnen sind bekannt und schließen Stanzen ein. Alternativ dazu kann die Schaltkreisschicht als eine Leiterrahmenstruktur gebildet sein, die auch bekannt ist. Bei herkömmlichen Konstruktionen kann eine solche Leistungsumschalteinheit eine oder mehrere eingehauste Leistungsmodule umfassen, die jeweils über Bolzen mit einer gekühlten Grundplatte mit einem thermischen Schnittstellenmaterial (thermal interface material, TIM), wie einer Wärmeleitpaste oder Klebstoff, zwischen dem Modul auf der Grundplatte verbunden sind. Diese Konstruktion leidet unter dem Nachteil, dass die schmierige Paste schwierig zu handhaben ist und in einem System mit thermischen Zyklen unter Verwendung „herausgepumpt” werden kann. Die Verwendung einer Mehrschichtlamination, die eine Isolierschicht 7 enthält, stellt eine Materialverbindung direkt zwischen der Schaltkreisschicht 5 und der Lagerplatte 2 sicher. Die Nachteile der Verwendung einer TIM-Paste werden somit vermieden.The circuit layer 5 is formed of a flat plate or film of metal, such as copper, into which a pattern of conductive lines has been inserted by etching. Alternative methods of forming such patterns of traces are known and include punching. Alternatively, the circuit layer may be formed as a lead frame structure, which is also known. In conventional designs, such a power switching unit may include one or more include a plurality of packaged power modules each connected by bolts to a cooled baseplate to a thermal interface material (TIM), such as a thermal grease or adhesive, between the module on the baseplate. This design suffers from the disadvantage that the greasy paste is difficult to handle and can be "pumped out" in a thermal cycle system. The use of a multi-layer lamination, which is an insulating layer 7 contains, provides a material connection directly between the circuit layer 5 and the bearing plate 2 for sure. The disadvantages of using a TIM paste are thus avoided.

Die Isolationsschicht 7 umfasst einen ebenen Film mit sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit, aber hoher thermischer Leitfähigkeit. Ein geeignetes Material für die Isolationsschicht ist ein Epoxid-Harz, das mit thermisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt ist.The insulation layer 7 includes a planar film with very low electrical conductivity but high thermal conductivity. A suitable material for the insulating layer is an epoxy resin filled with thermally conductive fillers.

In der Ausführungsform, die in den 1 und 2 gezeigt ist, sind die Komponenten 4, die den Leistungsumschaltungsschaltkreis bilden, durch die Verwendung eines Sinterverfahrens an der Schaltkreisschicht 5 befestigt. Ein derartiges Verfahren umfasst das Aufbringen von Sinterpaste auf eines oder beides der Komponenten 4 und/oder der Schaltkreisschicht 5, bevor die Komponente 4 positioniert wird und Druck und/oder Wärme zum Abschließen des Sinterns angewandt wird. Dies ergibt eine extrem zuverlässige und elektrisch leitfähige Befestigung zwischen den Komponenten 4 und der Schaltkreisschicht 5. Gesinterte Verbindungen sind in der Lage, den hohen Betriebstemperaturen, die in einigen Anwendungen vorkommen, zu widerstehen, insbesondere bei der Verwendung solcher Schaltkreise innerhalb von Fahrzeugen.In the embodiment incorporated in the 1 and 2 shown are the components 4 , which form the power switching circuit, by the use of a sintering process on the circuit layer 5 attached. Such a method comprises applying sintering paste to one or both of the components 4 and / or the circuit layer 5 before the component 4 is positioned and pressure and / or heat is applied to complete the sintering. This results in an extremely reliable and electrically conductive attachment between the components 4 and the circuit layer 5 , Sintered joints are able to withstand the high operating temperatures found in some applications, particularly in the use of such circuits within vehicles.

Eine Alternative zur Verwendung von Sintern ist Löten. Allerdings können solche Verlötungen einen hohen Bleigehalt aufweisen müssen, wenn hohe Betriebstemperaturen erwartet werden. Die Umweltbelastungen, die aus der Verwendung solcher bleihaltigen Materialien erwachsen, machen sie ökologisch nachteilhaft. Sintermaterialien enthalten kein Blei und helfen deshalb dabei, moderne Umweltstandards einzuhalten.An alternative to using sintering is soldering. However, such solderings may have to have a high lead content when high operating temperatures are expected. The environmental burdens that arise from the use of such lead-containing materials make them ecologically disadvantageous. Sintered materials contain no lead and therefore help to meet modern environmental standards.

3 zeigt ein Detail des Verkapselungsmerkmals einer weiteren Ausführungsform eines Leistungsmoduls und einer elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. 3 shows a detail of the encapsulation feature of another embodiment of a power module and an electric machine in accordance with one aspect of the present invention.

Es ist oftmals notwendig, einen Schaltkreis, der aus Komponenten 4 gebildet ist, vor der Umgebung, in der der Schaltkreis verwendet wird, weiter zu schützen. Solch eine Umgebung kann Staub, Feuchtigkeit, Lösungsmittel oder Korrosionsprobleme mit sich bringen, vor denen der Schaltkreis geschützt werden sollte. In 3 ist ein Bestandteil des Gehäuses 8 der elektrischen Maschine, von der das Leistungsmodul einen integralen Bestandteil bildet, gezeigt. Die laminierte Struktur, die das Gehäuse 8, die Isolationsschicht 7 und die Schaltkreisschicht 5 umfasst, ist ähnlich zu der, die in den 1 und 2 gezeigt sind. Eine Komponente 4 ist gezeigt und diese ist unter Verwendung eines Sinterverfahrens an der Schaltkreisschicht 5 befestigt. Die gesinterte Schicht 9 ist zwischen der Komponente 4 und der Schaltkreisschicht 5 gezeigt. Außerdem ist ein Draht oder ein Bandkabel 10 gezeigt, das eine elektrische Verbindung zwischen dem oberen Verbinder der Komponente 4 und der Schaltkreisschicht 5 herstellt.It is often necessary to have a circuit made up of components 4 is formed before the environment in which the circuit is used to further protect. Such an environment may involve dust, moisture, solvents or corrosion problems that should protect the circuit. In 3 is a part of the housing 8th the electrical machine, of which the power module forms an integral part. The laminated structure that houses the case 8th , the insulation layer 7 and the circuit layer 5 is similar to that used in the 1 and 2 are shown. A component 4 is shown and this is using a sintering process on the circuit layer 5 attached. The sintered layer 9 is between the component 4 and the circuit layer 5 shown. There is also a wire or a ribbon cable 10 shown having an electrical connection between the upper connector of the component 4 and the circuit layer 5 manufactures.

Die Komponente 4 ist durch die Verwendung eines zweistufigen Verfahrens verkapselt, das manchmal als „dam and fill” bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird eine Wand 11 mit einer signifikanten vertikalen Erstreckung um den äußeren Umfang der zu verkapselnden Fläche angelegt. Dies wird durch das Ausbringen eines Epoxid-Harzes erreicht, das in seinem ungehärteten Zustand ausreichend viskos ist, um die Herstellung einer Wandstruktur zu erlauben. Die Wandstruktur 11 gibt eine Grenze vor, und nach dem Fertigstellen der Wandstruktur 11 wird innerhalb dieser Grenze ein zweites Epoxid-Harz ausgebracht, um das erzeugte Reservoir zu füllen und eine Verkapselungsschicht 12 zu erzeugen, die die Komponenten 4 bedeckt, die Schutz bedürfen. Die Viskosität dieses zweiten Epoxid-Harzes ist dafür ausgelegt, niedrig genug zu sein, so dass das Harz jegliche Aushöhlungen, die Freiräume unterhalb von Bandkabeln 10 einschließen, ausfüllen wird. Nach dem Aushärten bildet die Verkapselungsschicht 12 eine feste Verkapselung der Komponenten 4.The component 4 is encapsulated by the use of a two-step process, sometimes known as "dam and fill". This method becomes a wall 11 with a significant vertical extent around the outer circumference of the area to be encapsulated. This is achieved by the application of an epoxy resin which, in its uncured state, is sufficiently viscous to allow the production of a wall structure. The wall structure 11 specifies a boundary, and after completing the wall structure 11 Within this boundary, a second epoxy resin is applied to fill the created reservoir and an encapsulation layer 12 to generate the components 4 covered, which need protection. The viscosity of this second epoxy resin is designed to be low enough that the resin will have any cavities, the cavities below ribbon cables 10 include, fill out. After curing forms the encapsulation layer 12 a solid encapsulation of the components 4 ,

In einer alternativen Ausführungsform kann die Wandstruktur 11 durch eine preisgünstige Plastikform gebildet sein, die um die Komponenten 4 platziert wird, bevor das zweite Epoxid-Harz oder ein Silikonvergießungsgel ausgebracht wird.In an alternative embodiment, the wall structure 11 be formed by a low-priced plastic mold surrounding the components 4 is placed before the second epoxy resin or a Silikonvergießungsgel is applied.

In weiteren alternativen Ausführungsformen kann die Wandstruktur 11 durch Vorsprünge des Gehäuses 8 oder durch Platzieren des Schaltkreises innerhalb einer Vertiefung, die innerhalb des Gehäuses 8 gegossen, eingearbeitet oder gestanzt worden ist, gebildet sein.In further alternative embodiments, the wall structure 11 by protrusions of the housing 8th or by placing the circuit inside a recess inside the housing 8th cast, incorporated or stamped, be formed.

„Dam and fill”-Verkapselungen sind insbesondere für Komponenten innerhalb eines Fahrzeugs geeignet, da verfügbare Leistungszuführungsspannungen (um 12 V bis 48 V) die Maximalspannungen, die innerhalb Fahrzeugleistungsmodulen vorgefunden werden, begrenzen. Die Erfordernisse (in Hinsicht von beispielsweise der Isolierung), die an ein Verkapselungsmaterial erfüllen muss, sind daher niedriger als für Leistungsmodule, die auf der Hauptspannung arbeiten und diese werden auf einfache Weise durch die Verkapselungsmaterialien erfüllt, die typischerweise in „dam and fill”-Anwendungen verwendet werden."Dam and fill" packages are particularly suitable for components within a vehicle because available power supply voltages (around 12V to 48V) limit the maximum voltages found within vehicle power modules. The requirements (in terms of, for example, insulation) that must be met by an encapsulating material are therefore lower than power modules that operate on the main voltage, and these are easily met by the encapsulation materials typically used in dam and fill applications.

4 ist ein Querschnitt eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung. In 4 ist ein Teil des Gehäuses 8 der elektrischen Maschine gezeigt, von der das Leistungsmodul einen integralen Bestandteil bildet. Die laminierte Struktur umfasst das Gehäuse 8, die Isolationsschicht 7 und die Schaltkreisschicht 5, und ist ähnlich zu der, die in 1 und 2 gezeigt ist. Eine Komponente 4 ist gezeigt und diese ist an der Schaltkreisschicht 5 durch Verwendung eines Sinterverfahrens befestigt. Die gesinterte Schicht 9 ist zwischen der Komponente 4 und der Schaltkreisschicht 5 gezeigt. In dieser Figur ist ebenfalls ein Anschluss 13 zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes mit einer externen Vorrichtung gezeigt. Solch ein elektrischer Kontakt könnte für Signalisierungszwecke (der Eingabe oder Ausgabe von Steuersignalen und/oder Zeit-, Housekeeping-, oder anderen notwendigen Signalen zum Steuern des Leistungsmoduls oder zum Weiterleiten von Informationen von dem Leistungsmodul an die externe Vorrichtung) oder zum Leiten von Leistung in das Leistungsmodul oder aus ihm heraus verwendet werden. Auf ähnliche Weise wie die Komponente 4 ist der Anschluss 13 auf die Schaltkreisschicht 5 gesintert. Eine gesinterte Schicht 9 ist zwischen dem Anschluss 13 und der Schaltkreisschicht 5 gezeigt. 4 is a cross section of another feature of the present invention. In 4 is a part of the case 8th the electric machine of which the power module forms an integral part. The laminated structure includes the housing 8th , the insulation layer 7 and the circuit layer 5 , and is similar to the one in 1 and 2 is shown. A component 4 is shown and this is at the circuit layer 5 attached by using a sintering process. The sintered layer 9 is between the component 4 and the circuit layer 5 shown. In this figure is also a connection 13 for making electrical contact with an external device. Such an electrical contact could be for signaling purposes (the input or output of control signals and / or time, housekeeping, or other necessary signals to control the power module or to pass information from the power module to the external device) or to conduct power in the power module or be used out of it. In a similar way to the component 4 is the connection 13 on the circuit layer 5 sintered. A sintered layer 9 is between the connection 13 and the circuit layer 5 shown.

Alternativ könnten in Ausführungsformen Befestigungsmittel (wie Löten) verwendet werden, allerdings hat, wie oben angegeben, Sintern den Vorteil des Bildens einer zuverlässigen, wärmewiderstehenden Befestigung ohne die Verwendung eines Lötmittels mit hohem Bleigehalt.Alternatively, in embodiments, attachment means (such as soldering) could be used but, as noted above, sintering has the advantage of providing reliable, heat-resistant attachment without the use of a high lead content solder.

Ein Merkmal des Anschlusses 13 in dieser Ausführungsform ist seine große vertikale Erstreckung, die sich deutlich über die anderen Komponenten, die auf der Schaltkreisschicht 5 angebracht sind, hinauserstreckt. Dies sorgt dafür, dass die Anschlussverbindungsregion frei von anderen Komponenten ist, was einfachen Zugriff zum Herstellen von Verbindungen mit ihr ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform, bei der eine Verkapselungsschicht 12 verwendet wird, bringt ein Anschluss 13 mit einer großen vertikalen Erstreckung die Verbindungsregion des Anschlusses deutlich über die Oberfläche der Verkapselungsschicht 12. Auf diese Weise können Verbindungen mit dem Anschluss 13 hergestellt werden, ohne dass bestimmte Veränderungen an der Verkapselungsschicht 12 vorgenommen werden müssten, um sie aufzunehmen.A feature of the connection 13 in this embodiment, its large vertical extent, which differs significantly over the other components on the circuit layer 5 are outstretched. This ensures that the port connection region is free of other components, allowing easy access to connect to it. In an alternative embodiment, in which an encapsulation layer 12 used, bring a connection 13 with a large vertical extent, the connection region of the terminal well above the surface of the encapsulation layer 12 , This allows connections to the port 13 be made without making any changes to the encapsulation layer 12 would have to be made to accommodate them.

Der Anschluss 13, wie in 4 gezeigt ist, ist innerhalb eines Plastikhalters 14 angebracht. Dieser Plastikhalter 14 hält eine Vielzahl von Anschlüssen 13, die als eine Anordnung von Anschlüssen angeordnet sind, und somit eine Buchse 15 mit vielen Anschlüssen bilden. Zwei solcher Buchsen 15 mit vielen Anschlüssen sind in 1 veranschaulicht. Die Verwendung solch einer Buchse hat einen großen Vorteil, da es die elektrische Verbindung anderer Vorrichtungen mit dem Leistungsmodul vereinfacht. Ein einfacher Stecker kann anstelle von Verdrahten, mit Bolzen verbinden oder dem Anlöten von Verbindungen verwendet werden.The connection 13 , as in 4 is inside a plastic holder 14 appropriate. This plastic holder 14 holds a variety of connections 13 which are arranged as an array of terminals, and thus a socket 15 with many connections. Two such sockets 15 with many connections are in 1 illustrated. The use of such a socket has a great advantage in that it simplifies the electrical connection of other devices to the power module. A simple plug can be used to connect to a bolt instead of wiring, or to solder connections.

Ein anderes Merkmal des Anschlusses 13 ist, dass er optimal auf der Schaltkreisschicht 5 platziert werden kann. Diese Platzierung kann das Bedürfnis, die Eigeninduktion des Schaltkreises zu reduzieren, berücksichtigen, was Verbesserungen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften des Leistungsmoduls mit sich bringt. Bei herkömmlichen Leistungsmodulen ist es oft der Fall, dass Anschlüsse um die Kante des Moduls herum platziert sind und diese Einschränkung kann oft zu längeren Schaltkreisverbindungselementen und somit größerer Induktivität führen.Another feature of the connection 13 is that he is optimal on the circuit layer 5 can be placed. This placement may take into account the need to reduce the self-inductance of the circuit, which entails improvements in the electrical characteristics of the power module. In conventional power modules, it is often the case that terminals are placed around the edge of the module, and this limitation can often lead to longer circuit connection elements and thus greater inductance.

5 zeigt ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, und veranschaulicht auch einen alternativen Schritt. 5 FIG. 12 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method according to the present invention, and also illustrates an alternative step.

In einem ersten Schritt des Verfahrens 16 werden eine Schaltkreisschicht 5 und eine Isolationsschicht 7 mit dem Gehäuse 8 der elektrischen Maschine verlaminiert. Die Schaltkreisschicht 5 ist aus einem leitfähigen Material gebildet, vorzugsweise einem Metall. Alternativ kann die Schaltkreisschicht 5 als eine Leiterrahmenstruktur gebildet sein. Die Isolationsschicht 7 umfasst einen ebenen Film mit sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit, aber hoher thermischer Leitfähigkeit. Das Verfahren des Bildens der laminierten Struktur aus diesen einzelnen Materialien umfasst das Anwenden von Wärme und/oder Druck.In a first step of the procedure 16 become a circuit layer 5 and an insulation layer 7 with the housing 8th of the electric machine. The circuit layer 5 is formed of a conductive material, preferably a metal. Alternatively, the circuit layer 5 be formed as a lead frame structure. The insulation layer 7 includes a planar film with very low electrical conductivity but high thermal conductivity. The method of forming the laminated structure from these individual materials includes applying heat and / or pressure.

In einem optionalen zweiten Schritt des Verfahrens 17 wird mindestens eine einer Vielzahl von elektrischen Komponenten 4 mittels eines Sinterverfahrens an der Schaltkreisschicht 5 befestigt.In an optional second step of the process 17 is at least one of a variety of electrical components 4 by means of a sintering process on the circuit layer 5 attached.

Die Ausführungsformen der oben beschriebenen Erfindung sind nur beispielhaft. Der Durchschnittsfachmann wird sich vieler Modifikationen, Veränderungen und Austauschmittel bewusst sein, die angewendet werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Patentansprüche der vorliegenden Erfindung sollen all diese Modifikationen, Veränderungen und Austauschmittel, die in den Geist und den Schutzbereich der Erfindung fallen, abdecken.The embodiments of the invention described above are exemplary only. One of ordinary skill in the art will be aware of many modifications, changes and substitutions that may be made without departing from the scope of the present invention. The claims of the present invention are intended to cover all such modifications, changes, and substitutions that fall within the spirit and scope of the invention.

Claims (15)

Eine Vorrichtung, die ein Leistungsmodul und eine elektrische Maschine umfasst, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl von Komponenten umfasst, die an einer Schaltkreisschicht befestigt sind, und wobei das Leistungsmodul und die elektrische Maschine durch eine Laminierung der elektrischen Maschine, einer Isolationsschicht und der Schaltkreisschicht physisch miteinander verbunden sind.A device comprising a power module and an electrical machine, wherein the power module comprises a plurality of components attached to a circuit layer, and wherein the power module and the electrical machine physically interconnect each other by laminating the electrical machine, an insulating layer, and the circuit layer are connected. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Isolationsschicht das Leistungsmodul und die Schaltkreisschicht von der elektrischen Maschine elektrisch isoliert.The device of claim 1, wherein the insulating layer electrically isolates the power module and the circuit layer from the electric machine. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Schaltkreisschicht ein Leiterrahmen ist.A device according to claim 1 or claim 2, wherein the circuit layer is a lead frame. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Komponenten an der Schaltkreisschicht mittels Sintern befestigt ist.Apparatus according to any of the preceding claims, wherein the plurality of components are secured to the circuit layer by sintering. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht ein Epoxid-Harz, das mit thermisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt ist, ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the insulating layer is an epoxy resin, which is filled with thermally conductive fillers. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltkreisschicht eine Kupferschicht ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the circuit layer is a copper layer. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Verkapselungsschicht umfasst, die auf der Schaltkreisschicht und der Vielzahl von Komponenten aufgebracht ist.The device of any one of the preceding claims, further comprising an encapsulation layer deposited on the circuit layer and the plurality of components. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Verkapselungsschicht durch Ausbringen eines Harzes innerhalb vorgegebener Grenzen gebildet ist.The device of claim 7, wherein the encapsulant layer is formed by dispensing a resin within predetermined limits. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Grenzen durch zusätzliche Harzwände vorgegeben sind.Apparatus according to claim 8, wherein the boundaries are predetermined by additional resin walls. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponenten einen oder mehrere Anschlüsse umfassen, die senkrecht zur Schaltkreisschicht eingerichtet sind.Device according to one of the preceding claims, wherein the components comprise one or more terminals, which are arranged perpendicular to the circuit layer. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Anschlüsse als eine Anordnung von Anschlüssen gebildet sind, die eine Buchse mit vielen Anschlüssen bildet.The device according to claim 10, wherein the terminals are formed as an array of terminals forming a multi-port jack. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Leistungsmoduls, das ein Leistungsmodul und eine elektrische Maschine umfasst, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl von Komponenten umfasst, die an einer Schaltkreisschicht befestigt sind, wobei das Verfahren ein Laminieren der elektrischen Maschine, einer Isolationsschicht und der Schaltkreisschicht umfasst.A method of manufacturing an integrated power module comprising a power module and an electrical machine, the power module comprising a plurality of components attached to a circuit layer, the method comprising laminating the electrical machine, an insulating layer, and the circuit layer. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Befestigen der Vielzahl von Komponenten an der Schaltkreisschicht ein Sintern mindestens einiger der Vielzahl von Komponenten an die Schaltkreisschicht enthält.The method of claim 12, wherein attaching the plurality of components to the circuit layer includes sintering at least some of the plurality of components to the circuit layer. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, das ferner ein Aufbringen einer Verkapselungsschicht auf die Schaltkreisschicht und die Vielzahl von Komponenten umfasst.The method of claim 12 or claim 13, further comprising applying an encapsulation layer to the circuit layer and the plurality of components. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner das Bereitstellen eines oder mehrerer Anschlüsse, die senkrecht zur Schaltkreisschicht eingerichtet sind, umfasst.The method of claim 12, further comprising providing one or more ports configured perpendicular to the circuit layer.
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