DE10027688A1 - Preparing flat, unstructured baseplate of electrical or electronic component for use with liquid cooling has structure of slots or ribs applied to baseplate - Google Patents

Preparing flat, unstructured baseplate of electrical or electronic component for use with liquid cooling has structure of slots or ribs applied to baseplate

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Abstract

The baseplate (4) is retrofitted, on the side facing away from electrical or electronic circuitry, with a physical structure (8) made of additional material for enlarging the heat-removing surface. The structure may comprise a number of slots ribs. The structure may be applied by friction welding, electric welding, soldering, or by adhesive. An Independent claim is included for an electronic component.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ertüchtigen einer für die Montage auf ebenen Flächen vorgesehenen Bodenplatte eines elektronischen Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung und auf ein elektronisches Bauelement, das unter Verwendung einer nach diesem Verfahren hergestellten Bodenplatte gefertigt wird. The invention relates to a method for toughen an intended for mounting on planar surfaces base plate of an electronic component for use with a liquid cooling system and an electronic device which is manufactured using a base plate prepared by this process.

Leistungselektronische Anordnungen werden für einen großen Leistungsbereich mit Leistungshalbleitermodulen realisiert. Electronic power devices are realized for a wide power range with power semiconductor modules. Leistungshalbleitermodule enthalten außer den Leistungshalbleiterbauelementen häufig noch mindestens eine elektrische Isolation, die die Leistungshalbleiterbauelemente von der Modulbodenplatte galvanisch trennen. Power semiconductor modules contain, in addition to the power semiconductor components often contain at least one electrical insulation separating the power semiconductor components of the module base plate electrically. Während des Betriebes tritt in den Leistungshalbleiterbauelementen Verlustwärme auf, die über die gut wärmeleitfähige elektrische Isolation und weiter über die Modulbodenplatte an die Umgebung abzuführen ist. During operation in the power semiconductor devices heat loss occurs via the highly thermally conductive electrical insulation and to dissipate via the module base plate to the environment.

Die Bodenplatten von Leistungshalbleitermodulen sind hierfür so beschaffen, daß eine Montage auf ebene Oberflächen von Kühlern für Luft- oder Flüssigkühlung erfolgen kann. The bottom plates of power semiconductor modules for this purpose are such that a mounting can be done in flat surfaces of radiators for air or liquid cooling. Diese aus fertigungstechnischer Sicht günstige Aufteilung zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühler weist jedoch den Nachteil eines unvorteilhaft hohen Wärmewiderstandes an dieser Trennstelle auf. However, this favorable from a manufacturing point of view division between power semiconductor module and the cooler has the disadvantage of an unfavorable high thermal resistance at this point of separation. Ein hoher Wärmewiderstand schränkt die maximal abführbare Verlustleistung des Leistungshalbleitermoduls ein, da durch die auftretenden Verlustleistungen vorgegebene Grenztemperaturen in den Leistungshalbleiterbauelementen nicht überschritten werden dürfen und die Kühlmitteltemperatur durch die vorgegebene Anwendung weitgehend festgelegt ist. A high heat resistance limits the maximum thermal dissipation of the power semiconductor module, there must not be exceeded by the occurring power losses predetermined limit temperatures in the power semiconductor components and the coolant temperature is largely determined by the given application.

Insbesondere bei Einsatz von flüssigen Kühlmitteln, womit eine intensivere Kühlwirkung als mit Luftkühlung erzielbar ist, wirkt sich der Wärmeübergang an der Trennstelle zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühler besonders nachteilig aus. Especially when using liquid coolants, with which a more intense cooling effect than air cooling can be achieved, the heat transfer at the interface between the power semiconductor module and the cooler has a particularly disadvantageous.

Für besonders dauerhafte Leistungselektronik-Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen werden inzwischen Leistungshalbleitermodule mit einem Bodenplattenwerkstoff angeboten, dessen thermischer Längenausdehungskoeffizient besser an den der Leistungshalbleiterbauelemente und den übrigen im Modul verwendeten Werkstoffen angepaßt ist, als das mit dem bisher verwendeten Bodenplattenwerkstoff Kupfer der Fall ist. For particularly durable power electronics applications with high reliability requirements are now available power semiconductor modules with a base plate material whose thermal Längenausdehungskoeffizient of power semiconductor components and other materials used in the module is adapted better to the, as it is with the previously used base plate material Copper the case. Hierbei wird die durch den Einsatz von flüssigen Kühlmitteln mögliche Steigerung der Verlustleistungsdichte unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit der Aufbau- und Verbindungstechnik berücksichtigt. Here, the possible through the use of liquid coolants increase the power loss density is taken into account while maintaining the reliability of the construction and connection technology.

Vorteilhafte Ausgestaltungen von Bodenplatten für Flüssigkühlung können auch eine Zapfenstruktur aufweisen, die zur Verbesserung der Kühlwirkung direkt vom Kühlmittel angeströmt wird. Advantageous embodiments of floorboards for liquid cooling may also have a power take-off structure which is flown to improve the cooling effect from the cooling medium. Ein derartiger Halbleiteraufbau ist beispielsweise aus der EP 603 860 bekannt. Such a semiconductor structure is for example known from EP 603 860. Die verbesserte Kühlwirkung ergibt sich durch eine Vergrößerung der Oberfläche zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühlmittel sowie der Vermeidung der Ausbildung einer laminaren Kühlmittelströmung. The improved cooling effect is obtained by increasing the surface between the power semiconductor module and the cooling means as well as the avoidance of the formation of a laminar flow of coolant. Bei einer laminaren Kühlmittelströmung treten Grenzschichten mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit auf, die die Kühlwirkung herabsetzen. In a laminar flow of coolant boundary layers occur at a reduced flow rate, the lower the cooling effect. Zapfenkühler bewirken bei geeigneter Bemessung eine turbulente Kühlmittelströmung ohne diesen Nachteil. Zapf cooler cause turbulent coolant flow without this disadvantage, with a suitable dimensioning.

Strukturiert ausgeführte Bodenplatten für direkte Flüssigkühlung sind bislang wirtschaftlich jedoch nur in großen Stückzahlen einsetzbar. Structured executed floorboards for direct liquid cooling are far economical but can only be used in large numbers. Für Anwendungen mit geringer Stückzahl besteht häufig die Forderung nach dem Einsatz von Standard-Komponenten. For applications with small numbers, there is often the requirement for the use of standard components. Gründe hierfür liegen in einer geringeren Vielfalt von zu bevorratenden Ersatzteilen sowie der Möglichkeit der schnelleren Umsetzung von technischen Neuerungen in Produkte. The reasons for this lie in a lower range of about before rate the spare parts and the possibility of more rapid implementation of technical innovations into products. Die Beschaffung eines Bauelements mit einer geeignet strukturierten Bodenplatte kann somit nur beim Hersteller des Bauelements mit erhöhtem Kostenaufwand erfolgen. The procurement of a device with an appropriately structured base plate can thus take place only at the manufacturer of the device with an increased cost.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ertüchtigen einer unstrukturierten Bodenplatte eines elektronisches Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung anzugeben, wozu ein Standard-Bauelement, welches nicht unmittelbar für den flüssiggekühlten Einsatz vorgesehen ist, verwendet wird. The invention is thus based on the object of specifying a method to toughen an unstructured base plate of an electronic device for use in a liquid cooling system, for which purpose a standard component, which is not intended directly for the liquid-cooled feed, is used. Außerdem soll ein elektronisches Bauelement mit einer so ertüchtigten Bodenplatte angegeben werden. In addition, an electronic component is to be provided with such a ertüchtigten base plate.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ertüchtigen einer unstrukturierten Bodenplatte eines elektronischen Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung, wobei gemäß der Erfindung die Bodenplatte auf der der Elektronik abgewandten Seite nachträglich mit einer gegenständlichen Struktur zur Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche aus zusätzlichem Material versehen wird. The first object is achieved by a method for toughen an unstructured base plate of an electronic component for use with a liquid cooling system, wherein according to the invention is provided, the bottom plate on the side remote from the electronics side subsequently having an objective structure for increasing the heat dissipating surface of additional material ,

Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Bauelement, das mit einer so ertüchtigten Bodenplatte hergestellt wird. The second object is achieved by an electronic component, which is produced with such a ertüchtigten base plate.

Die Lösung betrifft eine nachträgliche Modifikation eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines Standard- Hochleistungs-Halbleitermoduls zum Zwecke der Intensivierung der Kühlung, also der Steigerung der abführbaren Verlustwärmemenge pro Zeiteinheit. The solution relates to a subsequent modification of an electronic device, such as a standard high-power semiconductor module for the purpose of intensifying the cooling, thus increasing the amount of heat that can be dissipated loss per unit of time. Ebenso betrifft die Lösung die Herstellung eines Bauelements, bei dem die erfindungsgemäß ausgeführte Bodenplatte als Halbzeug Verwendung findet. Likewise, the solution relates to the production of a component, in which the bottom plate according to the invention performed is used as a semifinished product.

Der Kunde hat somit beispielsweise die Möglichkeit, ein bereits vorhandenes Bauelement selbst für den flüssiggekühlten Einsatz zu ertüchtigen. Thus, the customer has, for example, the ability to toughen an existing component itself for the liquid-cooled applications. Das Spektrum der einzusetzenden Bauelemente wird somit deutlich erhöht. The range of components to be used is thus increased considerably. Die Beschränkung auf die auf dem Markt bereits vorhandenen für Flüssigkühlung vorgesehenen Bauelemente entfällt. The restriction on the on the market existing provided for liquid cooling components is eliminated.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Further advantageous embodiments of the invention are given in the subclaims.

Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in der Figur näher erläutert, wobei die Figur ein elektronisches Bauelement mit einer für eine Flüssigkühlung ertüchtigten Bodenplatte im Querschnitt in schematischer Darstellung zeigt. The invention is explained in more detail with reference to several embodiments thereof in the figure, the figure shows an electronic component having a ertüchtigten for a liquid cooling bottom plate in cross-section in a schematic representation.

Das in der Figur dargestellte elektronische Bauelement 2 umfaßt eine ebene Bodenplatte 4 . The electronic component shown in the figure 2 comprises a flat bottom plate. 4 Die Bodenplatte 4 ist auf der der Elektronik 6 abgewandten Seite mit einer gegenständlichen Struktur 8 aus zusätzlichem Material zur Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche versehen. The base plate 4 is provided on the side facing away from the electronics 6 having an objective structure 8 additional material to increase the heat-dissipating surface.

Im Verfahren zum Ertüchtigen der ebenen Bodenplatte 4 des Bauelements 2 für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung, wird die Bodenplatte 4 auf der der Elektronik 6 abgewandten Seite nachträglich mit der gegenständlichen Struktur 8 versehen, dh daß die zusätzliche Struktur 8 auf die bereits gefertigte Bodenplatte 4 aufgebracht wird. In the method of toughen the planar bottom plate 4 of the component 2 for use in a liquid cooling system, the base plate 4 is provided on the electronics 6 opposite side subsequently with the subject structure 8, ie, the additional structure applied to the already-made base plate 4 8 becomes. Die Bodenplatte 4 mit der Struktur ist somit nicht aus einem Stück gefertigt. The bottom plate 4 with the structure is thus not made of one piece. Der Übergangsbereich zwischen Bodenplatte 4 und Struktur 8 ist in der Praxis deutlich zu erkennen. The transition region between the base plate 4 and 8 structure can be clearly seen in practice.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 2 ein Leistungshalbleitermodul. In this embodiment, the component 2 is a power semiconductor module. Die Struktur 8 besteht aus einer vorgegebenen Anzahl von Zapfen aus Aluminium. The structure 8 is composed of a predetermined number of pins made of aluminum. Die Zapfen weisen bevorzugt einen runden und/oder eckigen Querschnitt auf, können aber auch einen beliebigen anderen Querschnitt haben. have the pins preferably to a round and / or square cross section, but may also have any other cross-section.

In weiteren nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Struktur ein beliebig anderes Profil auf. In other non-illustrated embodiments, the structure has an arbitrarily different profile. Das Profil muß lediglich so gewählt werden, daß die wärmeabführende Oberfläche vergrößert und die turbulente Strömung des Kühlmittels begünstigt wird. The profile need only be selected so that the heat dissipating surface is increased and the turbulent flow of the refrigerant is promoted.

Die Zapfen können Standard- oder Normteile sein, die z. The pins can be standard or standard parts, the z. B. durch Reibschweißen oder einem anderen Verfahren mit geringem Energieeintrag und unter Beibehaltung einer hohen Wärmeleitfähigkeit an der Bodenplatte 4 befestigt sind. B. are secured by friction welding or any other method with low energy input, and while maintaining high heat conductivity at the base plate. 4 Als weitere Befestigungsverfahren sind unter anderem Schweißverfahren, Lötverfahren und Klebeverfahren bevorzugt einsetzbar. Another means of mounting methods include welding, soldering and bonding processes used with preference.

Das so ausgestattete Leistungshalbleitermodul wird in einem offenen Kühlmittelverteiler 10 angeordnet, wobei die Abdichtung des Kühlmittelverteilers durch den Rand der Bodenplatte 4 mit Dichtungen 12 und Befestigungsschrauben 14 erfolgt. The so-equipped power semiconductor module is arranged in an open coolant manifolds 10, wherein the sealing of the coolant manifold is carried by the edge of the bottom plate 4 with seals 12 and fixing screws fourteenth Die an der Bodenplatte 4 angebrachten Zapfen reichen dabei bis zum Kühlmittelverteilerboden 16 , um eine gute Anströmung der Zapfenstruktur mit dem Kühlmittel zu erreichen. The mounted on the bottom plate 4 pins rich thereby to the coolant distributor plate 16, in order to achieve a good flow to the dispensing structure to the coolant.

Um bei ausreichender Zuverlässigkeit zu einer deutlichen Steigerung der abführbaren Verlustleistungen zu gelangen, werden für die nachträgliche Ausrüstung mit einer Zapfenstruktur vorzugsweise solche Leistungshalbleitermodule verwendet, die eine Bodenplatte 4 aus dem Werkstoff Aluminium/Siliziumkarbid (Al/SiC) aufweisen. In order to arrive at sufficient reliability to a significant increase of the dissipatable power losses, are used for the subsequent equipment with a power take-off structure is preferably such power semiconductor modules are used, which have a base plate 4 from the material aluminum / silicon carbide (Al / SiC). Al/SiC und der bei Modulen mit Al/SiC-Bodenplatten verwendete keramische Isolierwerkstoff Aluminiumnitrid (AlN) weisen ähnliche thermomechanische Längenausdehungskoeffizienten auf, so daß bei dieser Werkstoffkombination bei thermischer Wechsellastbeanspruchung besonders niedrige mechanische Spannungen auftreten. Al / SiC and the ceramic insulating aluminum nitride (AlN) used in modules with Al / SiC floor panels exhibit similar thermo-mechanical Längenausdehungskoeffizienten so that occur with this material combination during thermal load demand particularly low mechanical stresses.

Das Verfahren kann bei einer Vielzahl zu kühlender Bauelemente angewendet werden, insbesondere auch bei Widerständen und Drosseln. The method may be applied to a variety to cooling components, in particular also for resistors and inductors. Bei Sensoren ist dieses Verfahren ebenfalls anwendbar. For sensors, this method is also applicable. Das Verfahren erweist sich als besonders flexibel und vielseitig einsetzbar, da nahezu alle zu kühlenden Bauelemente hierfür nachträglich ertüchtigt bzw. nachgerüstet werden können. The method proves to be particularly flexible and versatile, since almost all are to be cooled components upgraded for this subsequently or retrofitted. Ebenso entstehen dadurch erhebliche Kosteneinsparungen, beispielsweise durch Masseeinsparungen bei den zu verwendenden Komponenten. Likewise, characterized result in substantial cost savings, for example by mass savings in components to be used. Das Verfahren kann in der Regel vom Nutzer des Bauelements selber durchgeführt oder auswärtig zur Bearbeitung in Auftrag gegeben werden. The process can be carried out or given away team performance for editing in order usually by the user of the device itself. Ebenso ist es möglich, bereits bei der Herstellung eines für die Flüssigkühlung vorgesehenen Bauelements eine nach diesem Verfahren aus mehreren Teilen gefügte Bodenplatte zu verwenden. It is also possible to use a joined by this process of multiple parts floor panel already during the production of an intended for the liquid cooling device.

Claims (13)

1. Verfahren zum Ertüchtigen einer weitgehend ebenen, unstrukturierten Bodenplatte ( 4 ) eines elektrischen oder elektronischen Bauelements ( 2 ) für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung, dadurch gekennzeichnet , daß die Bodenplatte ( 4 ) auf der der Elektrik oder Elektronik ( 6 ) abgewandten Seite nachträglich mit einer gegenständlichen Struktur ( 8 ) zur Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche aus zusätzlichem Material versehen wird. 1. A method for toughen a substantially flat, unstructured base plate (4) of an electrical or electronic component (2) for use in a liquid cooling, characterized in that the base plate (4) on the electrical or electronics (6) opposite side subsequently is provided having an objective structure (8) for increasing the heat dissipating surface of additional material.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ( 8 ) aus einer Anzahl von Zapfen oder Rippen gebildet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the structure (8) is formed of a plurality of pins or ribs.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen oder Rippen einen beliebigen Querschnitt aufweisen. 3. The method according to claim 2, characterized in that the pins or ribs having an arbitrary cross section.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen oder Rippen eine über die Höhe veränderliche Querschnittsfläche aufweisen. 4. The method according to claim 2, characterized in that the pins or ribs have a variable height over the cross-sectional area.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Struktur ( 8 ) durch Reibschweißen erfolgt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the application of the structure (8) is effected by friction welding.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Struktur ( 8 ) durch ein elektrisches Schweißverfahren erfolgt. 6. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the application of the structure (8) is effected by an electric welding process.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Struktur ( 8 ) durch ein Lötverfahren erfolgt. 7. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the application of the structure (8) is performed by a soldering method.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Struktur ( 8 ) durch ein Klebverfahren erfolgt. 8. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the application of the structure (8) is performed by a bonding method.
9. Elektronisches Bauelement ( 2 ) mit einer Bodenplatte ( 4 ), die nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ertüchtigt ist. 9. The electronic component (2) having a bottom plate (4) which is upgraded according to any one of claims 1 to. 8
10. Bauelement ( 2 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ( 2 ) ein Leistungshalbleitermodul ist. 10. The component (2) as claimed in claim 9, wherein the component (2) is a power semiconductor module.
11. Bauelement ( 2 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ( 2 ) ein Widerstand ist. 11. The component (2) as claimed in claim 9, wherein the component (2) is a resistor.
12. Bauelement ( 2 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ( 2 ) eine Drossel ist. 12. The component (2) as claimed in claim 9, wherein the component (2) is a throttle.
13. Bauelement ( 2 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ( 2 ) ein Sensor ist. 13. The component (2) as claimed in claim 9, wherein the component (2) is a sensor.
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