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Elektronischer Schaltkreis - Dokument DE69124896T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69124896T2 12.06.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0477502
Titel Elektronischer Schaltkreis
Anmelder Milwaukee Electric Tool Corp., Brookfield, Wis., US
Erfinder Crook, Fred, Waukesha, WI 53188, US;
West, Michael R., Hartland, WI 53029, US;
Domenella, Gino P., Brookfield, WI 53045, US;
Glasgow, Kevin, North Fond du Lac, WI 54935, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69124896
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 31.07.1991
EP-Aktenzeichen 911129021
EP-Offenlegungsdatum 01.04.1992
EP date of grant 05.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.06.1997
IPC-Hauptklasse H01L 23/492
IPC-Nebenklasse H01M 10/42   H01L 25/16   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis und insbesondere einen elektronischen Stromschaltkreis, der eine Wärmesenke enthält.

Strom-Hybridschaltungen enthalten normalerweise Silizium- Stromschaltvorrichtungen, wie beispielsweise MOSFET's, die auf elektrisch isolierenden Keramikelementen angebracht werden, die auf einer metallischen Wärmesenke, wie beispielsweise Kupfer, angeordnet sind. Das Schichtelement aus Silizium, Keramik und Kupfer wird durch Löten zu einem Schichtelement verbunden, und anschließend werden die elektrischen Verbindungen auf jede beliebige geeignete Weise, wie beispielsweise durch Drahtbonden, hergestellt, bei dem Aluminiumdraht beispielsweise an der Siliziumvorrichtung und einer stromführenden Diode angeschweißt wird. Durch die Verbindung von Wärmeableitvorrichtungen, keramischen Isolatoren und Siliziumvorrichtungen werden die verschiedenen elektrischen Anschlüsse in unterschiedlicher Höhe angeordnet, so daß relativ lange Drahtbondungen erforderlich sind, die die Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Um diese nachteiligen Auswirkungen zu vermeiden, wurden Wärmesenken nach dem Stand der Technik hergestellt, indem verschieden große Blöcke und Platten an ein Grundelement gelötet bzw. hartgelötet wurden, um einheitliche Drahtbondungslängen zu erzielen, die Masse des Gegenstandes zu verändern und die erforderlichen Siliziumvorrichtungen aufzunehmen.

Ein Einsatzgebiet für Strom-Hybridschaltungen des beschriebenen Typs ist eine Doppel-Akkumulatorenbatterie für Kraftfahrzeuge und dergleichen. Derartige Batterien enthalten eine primäre Zelleneinheit, die für den normalen Betrieb eingesetzt wird, sowie eine Hilfs- bzw. Reservezelleneinheit, die sich normalerweise im Bereitschaftszustand befindet. Wenn die primäre Einheit entladen werden sollte, wird die Hilfseinheit in den Stromkreis des Fahrzeugs geschaltet. Dies ermöglicht es, das Fahrzeug anzulassen, so daß die primäre Einheit aufgeladen werden kann, wobei die primäre Einheit anschließend in den Stromkreis geschaltet wird und die Hilfseinheit in den Bereitschaftszustand zurückversetzt wird. Bei diesem Einsatz ist es erforderlich, daß die elektronischen Schaltvorrichtungen vorübergehend hohe Ströme, wie beispielsweise in der Größenordnung von mehreren hundert Ampere und mehr, führen können. Daher ist eine starke Wärmesenke erforderlich.

Bei einer elektronischen Vorrichtung nach dem Stand der Technik (US-A-4,314,270), die ein langgestrecktes metallisches Teil umfaßt, das aus einem thermisch und elektrisch leitenden Material hergestellt ist, ist der elektronische Schalter direkt oder über eine Kupferplatte auf dem Element angebracht und in elektrischem und thermischem Kontakt damit. Elektrische Leitereinrichtungen verbinden den elektronischen Schalter mit der Halbleiter-Steuerschaltung, um die Kollektor- und die Gateelektrode des elektronischen Schalters mit der Steuerschaltung zu verbinden. Die Steuerschaltung ist über eine weitere elektrische Leitereinrichtung mit dem Teil verbunden, um einen Potentialpunkt der Steuerschaltung zu erden.

Eine Busstange ist direkt mit der Steuerschaltung verbunden und erstreckt sich in bezug auf die Hauptflächenebene des Teils im wesentlichen vertikal. Da sich die Höhen des elektronischen Schalters und der Steuerschaltung voneinander unterscheiden, sind relativ lange Drahtbondungen für die elektrischen Leitereinrichtungen erforderlich, die den elektronischen Schalter mit der Steuerschaltung und die Steuerschaltung mit dem Teil verbinden.

Auf den Seiten 3346 und 3347 von IBM T.D.B. 19(9) wird ein Leistungsmodul mit starker Wärmeableitung offenbart, bei dem eine Vielzahl von Dioden oder Leistungstransistoren in einer Packung in Form eines LSI-Schaltkreises angebracht sind. Diese Schaltung wird mit herkömmlichen Verfahren auf einem metallisierten Keramiksubstrat angebracht. Die Leistungstransistoren bzw. die Dioden sind mit Drahtbondungen mit der Schaltung auf dem metallisierten Substrat verbunden. Die Leistungstransistoren sitzen auf einer Platte, die als Wärmesenke dient. Diese Platte wiederum kann auf einer großen Wärmesenke angebracht werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen, mit denen die Regulierung der thermisch wirksamen Masse, die Anordnung und Anbringung von Siliziumvorrichtungen und thermische und elektrische Isolierung erleichtert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1 und 5 beansprucht werden.

Kurze Beschreibung der zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Fahrzeugbatterie, mit der der elektronische Schaltkreis gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den elektronischen Schaltkreis gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des in der Fig. 2 dargestellten elektronischen Schaltkreises;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführung der Erfindung; und

Fig. 5 ist eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführung der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Fig. 1 zeigt eine Bleiakkumulatorenbatterie 10 für jeden beliebigen bekannten Zweck, so beispielsweise für den Einsatz in Kraft- oder Wasserfahrzeugen. Batterie 10 weist ein erstes Paar Anschlüsse 11 und 12 auf, die an dem äußeren Batteriegehäuse 13 angebracht sind und an die primären Batteriezellen 14 (nicht dargestellt) angeschlossen sind, sowie ein zweites Paar Anschlüsse 15 und 16, die in dem Gehäuse 13 angebracht und an die Hilfsbatteriezellen 17 (nicht dargestellt) angeschlossen sind.

Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß die primären Batteriezellen 14 normalerweise an die gespeiste Vorrichtung angeschlossen sind. Wenn die primären Zellen 14 entladen sein sollten, werden die Hilfszellen 17 zur Notstromversorgung in den Schaltkreis geschaltet. Die Schaltkreise, die diesen Schaltvorgang und andere Steuerfunktionen ausführen, sind an einem Körper 20 gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung angebracht, der als Leiter und Wärmesenke wirkt. Der Körper 20 ist geeigneterweise in einer geeigneten Vertiefung 21 angebracht, die in Gehäuse 13 ausgebildet ist.

Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß die spezielle Konstruktion des Teils 20 durch seinen Einsatzzweck, seine elektrischen und thermischen Anforderungen, den Aufbau der Vorrichtung, an der es angebracht ist, sowie die Anzahl, Anordnung und Art der elektrischen Vorrichtungen, die es trägt, bestimmt wird. Dementsprechend stellt die spezielle Form des Teils 20 nur ein Beispiel der Erfindung dar, wobei es sich versteht, daß die Erfindung auch andere Formen einschließt.

Die Kombination aus Wärmesenke und Leiter 20 des dargestellten Beispiels umfaßt, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, einen geformten Körper, der aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Körper 20 um ein aus einem Stück bestehendes Teil, das auf jede beliebige Weise hergestellt wird. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Körper 20 durch Extrudieren eines länglichen Kupferteils durch ein entsprechend geformtes Werkzeug hergestellt. Der Körper 20 wird dann von dem extrudierten Element auf eine Länge geschnitten, die sich nach Parametern, wie beispielsweise dem Stromfluß, der Umgebungstemperatur, der Wärmeableitung, dem Arbeitszyklus und dergleichen richtet. Des weiteren muß der Körper 20 so geformt sein, daß er die elektrischen Vorrichtungen aufnimmt, die getragen und gekühlt werden. Es ist zu sehen, daß, wenn Körper 20 mit einem Extrusionsverfahren hergestellt wird, Wärmesenken mit unterschiedlichen thermischen Anforderungen aus einem Strangpreßteil hergestellt werden können. Indem das Teil beispielsweise lediglich auf eine größere oder geringere Länge geschnitten wird, wird die Wärmemenge gesteuert, die sicher abgeleitet werden kann. Des weiteren können beim Einsatz von Strangpreßteilen die kompliziert geformten Elemente auf wirtschaftliche Weise ohne mechanische oder elektrische Übergangsverbindungen hergestellt werden. Des weiteren ist es möglich, Längsnuten 23 in der Oberfläche von Element 22 herzustellen, die das Löten erleichtern.

Bei dem dargestellten Beispiel weist das Teil 20 eine Oberund eine Unterseite 24 und 25, Seiten 26 und 27 und Stirnflächen 29 und 30 auf. Eine Längsrinne 34 ist in der Oberseite 24 zwischen den Seiten 26 und 27 ausgebildet. An der Seite 26 befindet sich ein Bereich verringerter Dicke, der einen Absatz 36 bildet, der sich unterhalb der Ebene der Rinne 34 befindet. Zwischen dem Absatz 36 und der Rinne 34 befindet sich ein länglicher Streifen 38. An der gegenüberliegenden Seite 27 des Teils 22 befindet sich eine Vertiefung 40, die in der Unterseite ausgebildet ist, so daß die Anbringung auf der elektrischen Vorrichtung erleichtert wird, mit der das Teil 20 eingesetzt wird, und bei der es sich bei dem dargestellten Beispiel um die Bleiakkumulatorbatterie 10 handelt. Das Teil 20 kann nickelplattiert sein, um das Löten und Drahtbonden zu erleichtern und so das Herstellungsverfahren zu unterstützen.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführung enthält verschiedene Bauelemente, die auf dem Teil 20 angebracht sind. Es versteht sich, daß die speziellen Bauteile und ihre Anordnung auf Teil 20 lediglich der Veranschaulichung dienen, und daß eine unbegrenzte Anordnung derartiger Teile möglich ist. Des weiteren wird der spezielle Aufbau von Teil 20, wie oben angedeutet, nicht nur durch seinen Einsatz, sondern auch durch die Schaltung bestimmt, die es trägt. Daher versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die spezielle dargestellte Ausführung beschränkt ist, sondern lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche. Angesichts des Obenstehenden wird der in den Zeichnungen dargestellte spezielle Schaltungsaufbau erläutert.

Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Beispiel ist eine Vielzahl von Strom-MOSFET's 42 auf dem Streifenabschnitt 38 von Körper 20 angebracht und in direktem thermischen Kontakt damit. Die Steuerschaltung 44 für die MOSFET's 42 ist auf einem Substrat ausgebildet, das auf einem in der Nut 24 angebrachten Keramikstreifen 46 aufgetragen ist. Der Keramikstreifen 46 trägt die Steuerschaltung 44 und isoliert sie elektrisch von dem elektrisch leitenden Körper 20. Eine Busstange 48 erstreckt sich im wesentlichen über die Länge des Absatzes 36 und ist auf einem zweiten elektrisch isolierenden Keramikstreifen 50 angebracht, der von Absatz 36 getragen wird. Des weiteren ist ein Anschluß 52 an der Busstange 48 gegenüber jedem MOSFET 42 angebracht, und ein weiterer Anschluß 67 ist an der Busstange ausgebildet und kann mit der Steuerschaltung 44 verbunden werden.

Drahtbondungen 56 verbinden das Gate jedes MOSFET 42 mit einer anderen der Drahtanschlußstellen 57, die einen Teil der Steuerschaltung 44 bilden. Des weiteren verbinden Gruppen von Drahtbondungen 59 die Source jedes MOSFET mit einem benachbarten Anschluß 52. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß aufgrund der Höhe und der Anordnung der durch die Nut 24, den Absatz 36 und den Streifen 38 gebildeten Flächen die Abschlüsse der Drahtbondungen alle in der gleichen Höhe und relativ nahe beieinanderliegen, so daß die Drahtbondungen relativ kurz sein können. Da die Steuerschaltung 44 und Keramikstreifen 46, der MOSFET 42 und der Leiter 48 sowie der Keramikstreifen 50 unterschiedlich dick sind, befinden sich die durch Nut 24, Streifen 38 und Absatz 36 gebildeten Flächen alle in unterschiedlichen Höhen auf Element 20, so daß die entsprechenden Anschlüsse ungefähr die gleiche Höhe haben.

Der Drain jedes MOSFET 42 ist in elektrischem Kontakt mit dem Körper 20, der die relativ hohen Ströme führt, die geschaltet werden. Des weiteren ist jeder MOSFET 42 in thermischem Kontakt mit dem Körper 20 und absorbiert die bei den Schalt- und Stromführvorgängen erzeugte Hitze und leitet sie ab.

Zu weiteren Bauteilen, die in Fig. 2 und 3 dargestellt sind, gehört eine integrierte Schaltung 60, die beim Empfang von Befehlssignalen von einer externen Quelle (nicht dargestellt) MOSFET-Gate-Signale erzeugt, sowie ein Thermosensor 62, der durch Drahtbondung 63 mit der Steuerschaltung 44 verbunden ist. Darüber hinaus können auch Drahtbondungen 64 und 65 vorhanden sein, die die Steuerschaltung 44 mit dem Körper 20 und dem Anschluß 67 verbinden, der an Busstange 48 angebracht ist.

Wie unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ersichtlich ist, ist einer der Batterieanschlüsse durch Leiter 68 mit der Busstange 48 verbunden, und der entsprechende Anschluß der Hilfszellen über Leiter 70 mit Anschluß 72 an dem Körper 20 verbunden. Bei der dargestellten Ausführung befindet sich die Schaltvorrichtung zwischen den negativen Batterieanschlüssen 12 bzw. 15, obwohl das Schalten auch zwischen den positiven Anschlüssen 11 und 16 ausgeführt werden könnte, wobei dann die negativen Anschlüsse direkt angeschlossen wären. Wenn sich die Batterie 10 in normalem Betrieb befindet, sind die MOSFET's 42 abgeschaltet, und der negative Hilfsanschluß 15 ist von dem negativen Batterieanschluß 12 getrennt. Dadurch sind die Hilfszellen 17 vom elektrischen System des Fahrzeugs getrennt, auch wenn der positive primäre Batterieanschluß 11 mit dem positiven Hilfsbatterieanschluß 16 verbunden ist. Wenn die MOSFET's 42 ein Gate-Signal empfangen und dadurch leitend werden, wird Anschluß 15 mit Anschluß 12 verbunden und schaltet so die Hilfsbatteriezellen 17 parallel zu den primären Batteriezellen 14. Für den Fachmann ist klar, daß sich die Anschlüsse 15 und 16 sowie die Leiter 68 und 70 in dem Batteriegehäuse 13 befinden.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des Teils 22', die eine Nut 24' zur Aufnahme der Steuerschaltung, einen Absatz 36' zur Aufnahme einer Busstange und den Streifen 38' zur Aufnahme der MOSFET's enthält. Es sind andere Abwandlungen möglich, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.

Es ist zu sehen, daß, da das Teil 20 aus einem Strangpreßteil und nicht aus einzelnen Teilen besteht, die durch Hartlöten oder Löten miteinander verbunden werden, das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung nicht nur weniger kostenaufwendig ist, sondern auch zum Wegfall von Grenzflächen mit relativ höherem thermischen und elektrischen Widerstand führt, die den Wirkungsgrad des Körpers als Leiter und Wärmesenke vermindern.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, die nicht nur die Schaltkreisvorrichtungen, wie beispielsweise die MOSFET's 142 enthält, die den oben erläuterten Batterieumschaltvorgang ausführen, sondern des weiteren eine Vielzahl zusätzlicher MOSFET's 143. Die MOSFET's 142 sind mit der Steuerschaltung 144 und der Busstange 148 verbunden. Die zusätzlichen MOSFET's 143 sind mit der Steuerschaltung 144 und den Anschlußstellen 149 verbunden, die ihrerseits mit anderen elektrischen Vorrichtungen verbunden sind, die gesteuert werden. Wenn die Erfindung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, können die Anschlußstellen 149 mit Schaltungen verbunden sein, die Beleuchtung, Scheibenwischer, Türschlösser, Fensterheber usw. steuern. Bei diesem Beispiel sind alle Anschlußstellen 149 elektrisch voneinander und von dem Teil 120 isoliert, während alle Schaltkreisvorrichtungen 142 mit Busstange 148 verbunden sind. Fig. 4 veranschaulicht, daß lediglich durch Vergrößerung der Länge des Wärmesenk-und-Leitteils 120 zusätzliche Schaltelemente aufgenommen werden können.


Anspruch[de]

1. Elektronischer Schaltkreis mit

einem langgestreckten metallischen Teil (20, 22', 120), das aus einem thermisch und elektrisch leitendem Material hergestellt ist und eine einheitliche Masse aufweist, die eine Wärmesenke definiert und frei von mechanischen oder elektrischen Übergangsverbindungen ist sowie eine erste, zweite und dritte Lagerfläche umfaßt, die jeweils auf zueinander unterschiedlichen Höhen liegen;

mindestens einem elektronischen Schalter (42, 142), der auf der zweiten Lagerfläche des Teils (20, 22', 120) angebracht und mit diesem in elektrischem und thermischem Kontakt steht, einer auf der ersten Lagerfläche angebrachten Steuerschaltung (44, 144) und einer auf der dritten Lagerfläche des Teils und neben dem elektronischen Schalter angebrachten Busstange (48, 148);

einer thermischen und elektrischen Sperreinrichtung (50) zwischen der Busstange und der dritten Lagerfläche;

einer ersten elektrischen Leitereinrichtung (56), die die Steuerschaltung mit dem elektronischen Schalter verbindet, wobei die erste elektrische Leitereinrichtung an ihren gegenüberliegenden Enden Anschlüsse hat;

einer zweiten elektrischen Leitereinrichtung (59), die den elektronischen Schalter mit der Busstange verbindet, wobei die zweite elektrische Leitereinrichtung an ihren gegenüberliegenden Enden Anschlüsse hat, wobei

das Teil (20, 22', 120) als eine Wärmesenke für den elektronischen Schalter (42, 142) und als ein Leiter für den von ihm geschalteten Strom wirkt, und wobei

die Dicke der Steuerschaltung (44, 144), des elektronischen Schalters (42, 142) und der Busstange (48, 148) sowie die relativen Höhen der ersten, zweiten und dritten Lagerfläche derart sind, daß die Anschlüsse der Leitereinrichtungen (56, 59) auf der gleichen Höhe sind.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von elektronischen Schaltern (42, 142), die auf der zweiten Lagerfläche angebracht sind, eine erste Vielzahl von elektrischen Leitereinrichtungen (56), die die Steuerschaltung (44, 144) mit den jeweiligen einen der elektronischen Schalter (42, 142) verbinden, und eine zweite Vielzahl von elektrischen Leitereinrichtungen (59) vorgesehen sind, die jeweils einen der elektronischen Schalter mit der Busstange (48, 148) in Parallelschaltung verbinden.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zweite elektrische und thermische Sperreinrichtung (46) zwischen der ersten Lagerfläche des Teils (20, 22', 120) und der Steuerschaltung (44, 144) vorgesehen ist.

4. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einer Speicherbattene (10) kombiniert ist, die primäre Zellen (14) und Hilfszellen (17) hat,

erste und zweite Anschlußeinrichtungen (11, 12) sind mit den primären Zellen und dritte und vierte Anschlußeinrichtungen (15, 16) sind mit den Hilfszellen verbunden, wobei

der mindestens eine elektronische Schalter (42, 142) zwischen die zweiten und dritten Anschlußeinrichtungen (12, 15) geschaltet ist und die primären Zellen und Hilfszellen in Parallelschaltung zueinander schalten kann.

5. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Schaltkreises mit den Schritten:

Extrudieren eines langgestreckten Teils (20, 22', 120) aus einem metallischen Material, das eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit hat,

Abschneiden einer ersten vorbestimmten Länge des extrudierten Teils, um ein einheitliches Teil zu schaffen, das einen Leiter und eine Wärmesenke definiert, frei von mechanischen und elektrischen Übergangsverbindungen ist und eine erste, zweite und dritte Lagerfläche umfaßt, die jeweils auf zueinander unterschiedlichen Höhen liegen,

Anbringen mindestens eines elektronischen Schalters (41, 142) in thermischem und elektrischem Kontakt auf der zweiten Lagerfläche des Teils,

Anbringen einer Steuerschaltung (44, 144) auf der ersten Lagerfläche und einer Busstange (48, 148) auf der dritten Lagerfläche und neben dem elektronischen Schalter (42, 142) und elektrisches Verbinden des elektronischen Schalters mit der Steuerschaltung und elektrisches Verbinden des elektronischen Schalters mit der Busstange durch erste und zweite Leitereinrichtungen (56, 59), wobei die erste und zweite Leitereinrichtung jeweils Anschlüsse an ihren gegenüberliegenden Enden haben, und elektrisches Isolieren der Steuerschaltung und der Busstange gegenüber dem Teil, wobei

die Dicke der Steuerschaltung (44, 144), des elektronischen Schalters (42, 142) und der Busstange (48, 148) und die relativen Höhen der ersten, zweiten und dritten Lagerfläche derart sind, daß die Anschlüsse der Leitereinrichtungen (56, 59) auf der gleichen Höhe sind.







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