CN111448654B - 用于电子部件的散热器、具有这种散热器的电子组件和制造这种散热器的方法 - Google Patents

用于电子部件的散热器、具有这种散热器的电子组件和制造这种散热器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有基板(18)和增加散热器的表面积的冷却结构体(19)的散热器。散热器可作为电子组件的配套用以冷却电子部件，所述电子组件也被要求保护。此外，本发明的主题是用增材制造工艺制造散热器的方法，其中在基板(18)上以增材方式产生冷却结构体(19)。根据本发明规定，基板具有陶瓷相(38)和金属相(39)，由此形成金属陶瓷复合材料、特别是由AlSiC制成的金属基质复合材料。冷却结构体(19)有利地通过纯金属连接部(31)与基板的金属相(39)连接。这有利地实现了两个结构单元之间良好的机械连接以及过渡部(31)中的良好的导热性。如果要将散热器与电子组件的陶瓷电路载体或作为电子元器件的功率半导体连接，则陶瓷相(38)有利地能够实现对散热器的热膨胀系数的调整。在增材制造工艺中，冷却结构体(19)可通过增材制造直接在基板(18)上制造。

Description

用于电子部件的散热器、具有这种散热器的电子组件和制造 这种散热器的方法
本发明涉及具有基板的散热器，该基板具有用于电子部件的安装面，其中所述基板与增加散热器的表面积的冷却结构体连接。此外，本发明涉及电子组件，该电子组件具有电路载体，在该电路载体上安装有至少一个电子部件，并且具有散热器。最后，本发明涉及用增材制造工艺制造散热器的方法，其中在基板上以增材方式产生冷却结构体，其中基板是散热器的一部分。
已知电子组件必须被冷却。在电力电子模块的情况下，例如在作为衬底的陶瓷板上构造半导体芯片。可将散热器固定到该陶瓷衬底的背面，该散热器可单件式或多件式地构造。优选地，基板可例如通过钎焊附接至陶瓷衬底，其中基板可经由螺纹连接与另一散热器连接，以提高冷却性能。在此可涉及用于例如通过散热片进行空气冷却的被动式冷却器，或者具有用于冷却介质例如空气、水、水-乙二醇混合物或硅油的通道系统的主动式冷却器。为了改善散热器和基板之间的连接，可在这些部件之间设置热传递介质，例如导热膏。然而，导热膏的导热率通常比金属材料的导热率差2个数量级。
由DE 102015215570A1已知，可利用选择性激光熔化以增材方式来制造冷却器，其中使用基板以在其上构造冷却结构体。在此，该冷却结构体是具有冷却通道的被动式冷却结构体，每个冷却通道都通向烟道(狭缝)，并由此促进冷却空气的对流。散热器由金属材料制成，以确保良好的热传导。金属材料也可通过增材制造工艺例如激光熔化来有效地制造。
在本申请的上下文中，增材制造工艺应理解为是指如下的方法，其中将待由其制造部件的材料在形成期间添加到该部件中。在此，部件已经以其最终形状或至少近似地以此形状产生。构造材料可例如是粉状或液态的，其中通过增材制造工艺以化学或物理方式固化用于制造部件的材料。
增材制造的实例可提及选择性激光烧结(SLS，Selective Laser Sintering)、选择性激光熔化(SLM，Slective LaserMelting)、电子束熔化(EBM，Electron BeamMelting)、激光粉末沉积(LMD，Laser Metal Deposition)、冷气喷涂(GDCS，Gas DynamicCold Spray)。这些方法特别适合于处理粉末形式的金属材料，用该金属材料可制造结构部件。
在SLM、SLS和EBM中，部件分层地在粉末床中制造。因此，这些方法也称为基于粉末床的增材制造方法。在各自的情况下，在粉末床中都产生粉末的层，然后通过能量源(激光或电子束)在其中待形成部件的区域中将所述粉末的层局部熔化或烧结。因此，以分层的方式逐步地制造该部件，并且在完成后可将其从粉末床中取出。
在LMD和GDCS的情况下，将粉末颗粒直接供应到待在其上施加材料的表面上。在LMD的情况下，粉末颗粒通过激光直接在表面上的入射位置中熔化，并在此形成待生产的部件的层。在GDCS的情况下，粉末颗粒被剧烈加速，使得它们主要由于其动能在同时变形的情况下而粘附在部件表面上。
GDCS和SLS的共同特征是粉末颗粒在这些方法中不会完全熔化。在GDCS的情况下，熔化最多在粉末颗粒的边缘区域中进行，所述粉末颗粒由于明显的变形而可在其表面处熔化。在SLS的情况下，在选择烧结温度时，确保该温度低于粉末颗粒的熔化温度。相反，在SLM、EBM和LMD的情况下，有意地输入如此高的能量，使得粉末颗粒完全熔化。
对于在陶瓷衬底上构造的功率电路，另一问题尤其在于，由于选择金属材料例如铝或铜，固定在陶瓷衬底背面上的冷却器具有比陶瓷衬底更高的热膨胀系数。因此，在操作期间，衬底和散热器之间存在热应力，这与组件的机械负荷相关联。
本发明的目的是以如下的方式开发一种散热器或具有这种散热器的电子组件，使得一方面，在散热器和待冷却部件的加热过程中产生尽可能低的机械负荷，以及另一方面，允许从待冷却部件到散热器中的良好散热。
根据本发明，该目的用开头提出的散热器通过如下方式来实现：基板由具有陶瓷相和金属相的金属-陶瓷复合材料构成，并且冷却结构体由金属或金属合金构成，其中在冷却结构体和基板的金属相之间形成纯金属连接部(Verbindung)。这种纯金属连接部可为焊接连接部、钎焊连接部或烧结连接部。由此有利地确保了可在基板和冷却结构体之间发生良好的热传递。当在安装间隙中提供例如导热膏时，这种热传递例如不会由于安装间隙而中断，并且也不会由于材料相关的相变而中断。焊接连接部的形成是特别有利的，因为基板的金属相与冷却结构体的材料形成一个相，并且因此在焊接连接部中不再存在任何相变。结果，热量可不受阻碍地从基板的金属相流入冷却结构体，因为相变会产生额外的热阻。在本申请的上下文中，相变应始终被理解为是指从一种材料到另一种材料的转变。材料内例如通过晶界的相变将不在本申请的上下文中进行讨论。
根据本发明的一种设计中，金属连接部可通过金属接合助剂形成。特别是在钎焊连接部的情况下，常见的是，其中将钎焊材料作为金属接合助剂引入到待连接的部件之间的间隙中。由此使得基板的金属相和冷却结构体之间能够连接。
当然，在散热器中，在基板的陶瓷相和冷却结构体之间也进行热传递，更确切地说只要陶瓷相与冷却结构体接触。但是，热传导的功能主要通过基板的金属相来实现。
相比之下，在基板中提供陶瓷相的优点在于，基板就其膨胀系数而言与可安装在散热器的安装面上的陶瓷衬底相匹配。结果，可有利地减小在加热由散热器和待冷却部件组成的组件(例如具有陶瓷衬底的电力电子电路)的过程中的机械应力。同时，由于冷却结构体的金属连接，基板的金属相确保了良好的热传导，从而根据本发明的散热器兼具了在安装面处的与陶瓷相匹配的热膨胀特性和良好的冷却性能的优点。
电子部件可例如由用于构造电力电子电路的陶瓷衬底组成。然而，也可有利地将电子元器件本身直接连接在散热器的安装面上。如果这些元器件是半导体元器件，则它们同样受益于在散热器的安装面处的热膨胀系数的匹配，因为它们同样具有比金属低的热膨胀系数。
作为基板，尤其可使用金属-基质复合材料。在该复合材料中，金属形成基质，陶瓷颗粒嵌入基质中。于是，热传导有利地主要通过金属基质进行，从而有利地不必克服基板内的任何相界。作为金属-基质复合材料，可优选地使用由铝和碳化硅(AlSiC)组成的复合材料。制造通过如下方式进行：压实碳化硅粉末，然后用液态铝渗透该碳化硅粉末，液态铝然后渗入空隙中并如此形成无孔的复合材料。以此方式，当然也可由其他材料来制造金属-基质复合材料，使得可通过选择合适的粉末实现热膨胀系数与待冷却部件的良好匹配。
在本发明的另一种设计中，基板的金属相和冷却结构体由相同的金属材料或具有相同的基础合金部分的金属合金组成。如已经阐明的那样，由此可有利地实现以下效果：在将冷却结构体与基板的金属相连接之后，在纯金属连接部中不再存在任何相变，从而确保在基板和冷却结构体之间的过渡部处的特别良好的热传导。为了获得该优点，在基板和冷却结构中不必使用相同的金属合金。反而，当它们具有相同的基础合金部分时就足够了，其中在本发明的上下文中，基础合金部分应理解为是指在合金中具有最大合金比例的金属合金的合金部分。此外，作为金属材料，也可使用纯金属，其中这些纯金属可同样具有低的合金比例或杂质。尤其是铝、铜和银由于非常好的导热性能而合适作为纯金属或基础合金部分，其中铝在此有利地构成了成本最低的选择。
在本发明的另一设计中，冷却结构体配备有散热片(鳍片，Rippen)或散热结(凸起物，Noppen)。这些是几何结构体，其增加了冷却结构体的表面积，从而改善了热量的释放。在此，散热片或散热结可以是空气冷却器的一部分，使得热量被释放到环境空气中。将散热片和散热结布置在液体冷却介质中是另一种选择。也就是说，在冷却结构体中形成用于冷却介质的通道使得可强制引导冷却介质是有利的。这有利地导致冷却介质的更快的交换。更特别地，也可使用液体冷却介质。在这种情况下，通道必须朝外部关闭，以便不发生液体冷却介质的损失。此外，散热片或散热结也可有利地布置在通道中。
作为替代，所述目的还通过具有电路载体的电子组件来实现，其中所述电路载体由陶瓷材料组成，并且该电路载体被固定在根据以上阐述构造原理设计的散热器的安装侧上。有利地，散热器在安装面处的热膨胀系数与电路载体的热膨胀系数相匹配或至少近似于电路载体的热膨胀系数，使得在加热电子组件的过程中产生较低的机械应力。同时，通过基板的金属相，可将热量良好地传导到散热器的冷却结构体中(如前所述)。
最后，根据本发明，上述目的还通过开头所述的用于增材制造散热器的方法来实现，其中基板由具有陶瓷相和金属相的金属-陶瓷复合材料制成，并且冷却结构体由金属或金属合金制成，其中在冷却结构体的材料的固化过程中，在冷却结构体的材料和金属基板之间形成纯金属连接部。当例如采用SLS或EBM或LMD作为增材制造工艺时，这在此优选是焊接连接部。在GDCS中产生低温焊接连接部。在SLS中，由于能量输入比SLM的情况低，因此形成烧结连接部。
通过根据本发明的方法，可制造具有上述优点(兼具匹配的热膨胀系数和良好的导热特性)的散热器。此外，通过选择增材制造工艺，可有利地在具体使用情况下实现散热器的高度个性化。例如，可对具有金属-陶瓷基板的标准模块进行修改，以例如构造封闭的冷却通道。此外，可针对主要的流动条件优化冷却通道，因为用增材制造工艺还可制造复杂的结构体而不会增加制造复杂性。在此，例如可避免冷却通道中的死体积，在该死体积中冷却流体的循环将减少。同时，可如此设计散热器的其中引入更多的热量(取决于待冷却部件)的子区域，使得在此可进行更多的热传递(的冷却流体的流速增加，冷却结构体的冷却面范围扩大)。
在根据本发明的方法的一种设计中，可将基板插入用于散热器的增材制造的系统(设备)中，并且可在基板上增材制造冷却结构体。在此，基板被用作成本有益的半成品，以直接在其上制造冷却结构体。通过增材制造同时在冷却结构体和基板的金属相之间形成纯金属连接部。这尤其可通过SLM或EBM来实现，因为这些方法可确保将金属相焊接到冷却结构体的材料上。然而，也可通过烧结(SLS)或低温焊接(CGDS)来创建过渡部。
根据本发明的特定设计，电子电路已预先安装在基板上。然后，可将该电子电路插入用于增材制造的系统中，其中将基板以未预先安装电子电路的这一侧引入系统中，使得这一侧可用于冷却结构体的增材制造。以这种方式，如果在电子电路已经投入运行之后，电子电路的冷却特性不满足要求，则可有利地修改电子电路的冷却特性。
根据另一种设计，基板被实施为电力电子模块的一部分。这样的模块可优选地具有以下特性。
该模块可以是气密性密封的。通常，这是通过内部软灌封、外部硬灌封和塑料外壳的组合来实现的。将负载和控制触点从模块中引出，其中必须考虑与电压等级相对应的绝缘距离。
该模块由制造商进行静态和动态测试。因此该模块已经是可使用的。
该模块通常是大量制造的标准部件。根据本发明，这可通过在基板上以增材方式构造散热器来个性化。在此可确保模块的功能以给定的品质给出。冷却结构体的构造在此有利地不导致废品的产生。相反，如果首先制造带有基板的散热器，然后在其上实现电路，则相比之下由于电子电路中的质量缺陷，仍可能出现废品。
根据本发明的另一设计，基板也可在用于增材制造的系统中由陶瓷材料和金属材料的混合物以增材方式制造。金属材料在此被熔化或烧结，因为其熔点低于陶瓷材料。以这种方式，产生了构成基板的金属陶瓷复合材料。若基板完成后，将更换系统中的构造材料，并使用金属材料构造冷却结构体。该方法的优点在于，可将散热器单独地匹配于使用情况。更特别地，还可使安装侧的几何形状适配于特定的电子组件。这在如下情形中尤其有利，即当将散热器放置在单个元器件上时，其中为此可配置几何形状适配的支架。
在下文中参考附图描述本发明的更多细节。相同或相对应的附图元件各自被赋予相同的附图标记，并且仅在单个附图之间存在差异的程度上才进行多次阐述。
下文中阐明的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，描述的实施方式的部分分别是本发明的各个彼此独立的特征，这些特征在各自的情况下也彼此独立地进一步扩展本发明，因此应被单独地或以不同于所示的组合的方式视为本发明的一部分。此外，描述的实施例也可由已经描述的本发明的其他特征来补充。
附图中：
图1以局部截面示出了在用于选择性激光熔化的系统中的本发明方法的实施例，
图2和3作为侧视图示出了本发明的散热器的实施例，
图4以局部截面示出了具有本发明的散热器的实施例的本发明的电子组件的实施例；和
图5以截面示出了根据图3的细节V。
图1中示出了可实施SLM的系统。该系统具有处理腔室11，在该处理腔室11中提供了用于制造增材结构体的构造平台12。还提供了粉末储存器13。粉末储存器13可借助于剂量筒14在处理腔室的方向上升高(抬高)，通过该粉末储存器提供粉末，并且可通过分配装置15(例如刮刀)将其作为层分布在粉末床16上。
构造平台12适合于容纳电子组件17，该电子组件17可利用作为电子组件17的一部分的基板18由构造平台12保持。因此，可通过使例如熔化的粉末床16的材料固化(凝固)而在基板上构造冷却结构体19。为此目的，激光器20产生激光束21，该激光束21经由偏转镜22通过窗口23偏转到处理腔室11中并且熔化粉末床16的颗粒。如此，冷却结构体是逐层产生的，方式是具有电子组件17的构造平台12逐步地降低(下降)，并且通过分配器装置15使新的层不断地在粉末床16中产生。
基板18是电子组件17的一部分，并且由金属-陶瓷复合材料，特别是由AlSiC形成。冷却结构体19的连接是在相对于基板18的界面处通过使材料熔化并因此焊接(更多细节在下文中参照图5)而实现。
该电子组件还包括陶瓷衬底24，该陶瓷衬底24在两侧上均具有铜金属化层(未详细示出)。因此，衬底24和基板18可通过接合助剂25(在此为钎焊材料)的钎焊连接部而彼此连接。在衬底24的与基板18相对的安装侧上，安装了功率半导体形式的电子元器件26，其中这通过钎焊连接部(未详细示出)来实现。在元器件26和衬底24之间还提供粘结连接部(Bondverbindung)27。电子电路也由灌封剂28密封，其中电接触销29从灌封剂28中伸出，并以未详细示出的方式用于元器件26的电接触。
图2显示了另一个散热器。该散热器具有基板18，在基板18上通过增材制造制造了作为冷却结构体19的散热结30。散热结30扩大了散热器的表面积，因此改善了其冷却性能。同样可见的是平面31，基板18和冷却结构体19之间的过渡部位于其中。
图3显示了散热器的另一种设计。它具有由冷却结构体19形成的散热片32。然而，冷却结构体不仅仅由散热片32组成，而且还包括施加到基板上的层33。该层33具有如下的功能：通过与基板18的大面积连接将经由基板18的金属相传导的热量均匀地分配到散热片32上。否则，只能在困难的条件下在散热片32之间的间隙中从基板18引走热量。基板18和层33之间的过渡部位于平面31中。
图4示出了与根据图1的电子组件相对应的电子组件17。然而，散热器具有将在下文中详细说明的特点。
散热器具有散热片32，在纵向截面中示出了其中之一。在根据图4绘制的平面的前面和后面，还有其他不可见的散热片。散热器19还补充有壳体结构34，该壳体结构也像散热片32那样直接在基板18上制成。以这种方式，形成了密封的腔，该密封的腔可用作用于引导冷却流体例如水的通道35。为此，在壳体结构中设置有入口36和出口37。冷却介质的流动由箭头指示。
图5中示出了根据图3的细节V。截面图清楚地表明，基板18由金属-基质复合材料组成，其中例如由碳化硅形成的陶瓷颗粒形成陶瓷相38，该陶瓷相38被由铝形成的金属基质包围，所述金属基质形成金属相39。因此，金属相有利地用于将基板18中的热量良好地传导至冷却结构体19。另一方面，陶瓷相38的较高的填充水平确保基板的热膨胀特性与可使用接合助剂25根据图4附接到基板上的陶瓷衬底24的热膨胀特性相匹配。
为此，在平面31中的基板18和冷却结构体19之间的界面处产生机械应力，在所述界面处由于冷却结构体19的金属材料已经通过激光熔化与基板的金属相39熔在一起，因此不再存在明显的相界。然而，金属相39和冷却结构体19的稳定性和弹性足以应付这些与热膨胀相关的应力，其中基板18被设计为足够厚的，以使得产生的应力消散至散热器的安装面，该安装面在图5中未示出。(根据图1、2和4的散热器的基板也是如此。)
在图5中也可看到层33，该层适用于冷却结构体19与基板18的在整个区域上的连接(附接)，并额外地稳定散热片32。层33因此增加了散热器的机械稳定性，并且还改善了从基板18到冷却结构体19中的热量引入，因为在平面31中为此目的而提供尽可能大的表面积(热流在图5中用箭头表示)。

Claims (4)

1.用增材制造工艺制造散热器的方法，所述散热器包括基板(18)和与基板连接的用于增加散热器的表面积的冷却结构体(19)，包括：
制造基板(18)，所述基板由具有陶瓷相(38)和金属相(39)的金属-陶瓷复合材料组成，
在所述基板(18)上安装电子电路，并且
在安装有电子电路的基板上以增材方式制造冷却结构体(19)，所述冷却结构体(19)由金属或金属合金制成，所述基板的金属相(39)和所述冷却结构体(19)由相同的金属材料或由具有相同的基础合金部分的金属合金组成，
其中在冷却结构体(19)的材料的固化期间，在冷却结构体(19)的材料和基板(18)的金属相(39)之间形成纯金属连接部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
将基板(18)实施为电力电子模块的一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在用于增材制造的系统中，基板(18)由陶瓷材料和金属材料的混合物以增材方式制造。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
作为所述增材制造工艺，实施选择性激光熔化或电子束熔化。
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