DE10038178A1 - Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen, wobei die Kühlschiene mindestens eine Beruhigungszone (2), mindestens einen Schlitz (3) sowie mindestens eine Kammer (4) aufweist, durch welche das Kühlfluid strömt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Schaltmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, welches die obige Kühlschiene aufweist. Durch die erfindungsgemäße Kühlschiene kann die im Modul entstehende Verlustwärme oder Abwärme besonders effektiv abgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlschiene gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Schal­ tungsmodul gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.

Schaltungsanordnungen, insbesondere Halbleiterschaltungsan­ ordnungen, werden häufig in Form von Schaltungsmodulen, Halbleitermodulen oder dergleichen aufgebaut. Diese Modul­ form hat den besonderen Vorteil der kompakten und räumlich dicht gedrängten Bauweise, bringt aber hinsichtlich der An­ forderungen an das Isolationsverhalten sowie an die Auskopp­ lung der in den im Modul angeordneten Bauteilen erzeugten Verlustwärme Probleme mit sich.

Herkömmliche Schaltungsmodule, insbesondere klassische Leis­ tungshalbleitermodule, bestehen üblicherweise aus Silizium­ chips, welche auf ein metallisiertes Keramiksubstrat mittels einer Lötverbindung aufgebracht sind. Die jeweiligen Silizi­ umchips auf dem Keramiksubstrat werden mittels sogenannter Dickbondtechnik verschaltet. Die Keramiksubstrate bewirken eine elektrische Isolation und damit eine Entkopplung zwi­ schen dem elektrischen Schaltkreis und dem Kühlkreis des Mo­ duls. Eines bzw. mehrere der Substrate mit entsprechend auf­ montierten Siliziumchips werden wiederum auf eine Bodenplat­ te, z. B. eine Metallträgerplatte aus Kupfer, beispielsweise mittels Auflöten befestigt. Danach wird die besagte Boden­ platte auf einen geeigneten Kühlkörper aufgeschraubt, so dass die im Modul entstehende Abwärme, welche von der Schal­ tungsanordnung, insbesondere von den Siliziumchips erzeugt wird, durch entsprechende Lötverbindungsschichten, die Keramiksubstratschicht und die Bodenplatte auf den Kühlkörper übertragen und an die Umgebung abgeführt wird.

Die Bodenplatte dient dabei mechanisch als Träger sowie thermisch als Wärmekapazität und Wärmeleiter zu einem Kühl­ körper, auf dem das Modul befestigt ist. Um ein Halbleiter­ modul vor Zerstörung durch entstehende Verlustwärme zu schützen, muss diese in effizienter Weise abgeleitet werden. Es zeigte sich dabei bisher, dass ein guter wärmeleitfähiger Kontakt der Bodenplatte, beispielsweise einer Metallträger­ platte, zum Kühlkörper gewährleistet werden muss. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass zwischen Bodenplatte und Kühlkörper vorzugsweise eine Wärmeleitungspaste oder -folie aufgebracht wird. Derartige Wärmeleitungspasten oder -folien haben außerdem die Funktion die unerwünschten Welligkeiten und Rauhigkeiten zwischen Bodenplatte und Kühlkörper auszu­ gleichen und damit einen guten Kontakt beider Schichten im Interesse einer optimalen Wärmeableitung herzustellen.

Bei Hochleistungsmodulen mit nahezu ebener Bodenplatte wird, gemäss dem Stand der Technik, eine gute Wärmeableitung durch die Nachbearbeitung der Kühlkörper erreicht. Die besagten Kühlkörper bestehen aus einem Strangpressprofil mit durch­ gängigen Bohrungen innerhalb des Profils, durch welche das Kühlfluid geleitet wird.

Obwohl die gemäss dem Stand der Technik bekannten Kühlkör­ per, insbesondere unter Verwendung von Wärmeleitungspasten oder -folien zwischen Bodenplatte und Kühlkörper, das Prob­ lem des unbefriedigenden Kontakts zwischen der Bodenplatte und dem Kühlkörper durchaus lösen, ist die insgesamt erziel­ te Wärmeabfuhr aber unbefriedigend. Auch die Kühlkörper mit durchgängigen Bohrungen innerhalb des Profils sind hinsicht­ lich der erzielbaren Kühlleistung unbefriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper für ein Schaltungsmodul, insbesondere für ein Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder derglei­ chen zu schaffen, mit dem die im Modul entstehende Verlust­ wärme oder Abwärme, insbesondere unter Vermeidung von Wärme­ leitungspasten oder -folien, besonders effektiv abgeführt werden kann. Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Halbleiter­ modul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen bereitzu­ stellen, in welchem die im Modul entstehende Verlustwärme oder Abwärme, insbesondere unter Vermeidung von Wärmelei­ tungspasten oder -folien, besonders effektiv abgeführt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde eine kostengünstige und im Hinblick auf das Ferti­ gungsverfahren rationelle Kühlkonstruktion für Schaltungsmo­ dule, insbesondere Halbleitermodule, Leistungshalbleitermo­ dule oder dergleichen bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer gattungsgemä­ ßen Kühlschiene für ein Schaltungsmodul, insbesondere Halb­ leitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie durch ein Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul oder Leis­ tungshalbleitermodul gemäss dem unabhängigen Anspruch 9 ge­ löst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiter­ bildungen sind jeweils in den nachgeordneten abhängigen Pa­ tentansprüchen aufgeführt.

Die erfindungsgemäße Kühlschiene ist für die direkte Fluid­ kühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodu­ len, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen geeignet. Die erfindungsgemäße Kühlschiene weist mindestens eine, ins­ besondere 1 oder 2, Beruhigungszonen, mindestens einen Schlitz sowie mindestens eine Kammer (Kühlkammer) auf, durch welche das Kühlfluid strömt. Die Anordnung dieser Merkmale ist dabei dergestalt, dass das Kühlfluid zuerst in eine Beruhigungszone, dann über einen Schlitz in eine erste Kammer strömt, und, sofern weitere Kammern vorgesehen sind, über jeweils weitere Schlitze in Reihen oder Parallelschaltung weitere Kammern durchströmt, bis es vorzugsweise über eine weitere Beruhigungszone abgeführt wird.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die erfindungsgemäße Kühlschiene mehrere Kammern in Reihen und/ oder Parallelschaltung auf. Dadurch können vorzugsweise Hochleistungsmodule mit mehreren Halbleitungselementen opti­ mal gekühlt werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kühlschiene Kammern, insbesondere drei Kammern, auf.

Die mit der Kühlschiene zu kühlenden Schaltungsmodule weisen mindestens ein Halbleiterbauelement auf, welches auf einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbe­ sondere einem Keramiksubstrat befestigt sind, das wiederum an seiner unteren Oberfläche auf einer zu kühlenden Boden­ platte insbesondere einer Metallträgerplatte befestigt ist.

Die erfindungsgemäße Kühlschiene stellt eine unkomplizierte Konstruktion dar und kann vergleichsweise kostengünstig, beispielsweise aus Al-Profilen, mit üblichen Fertigungsmit­ teln (Bohren, Sägen, Fräsen) hergestellt werden. Sie hat au­ ßerdem den Vorteil ein offenes Kühlsystem darzustellen, wel­ ches den konstanten Zustrom von kaltem Kühlfluid direkt an die heiße Bodenplatte, sowie den Abfluss von erwärmten bzw. heißem Kühlfluid von der Bodenplatte weg ermöglicht.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schlitz bzw. die Schlitze der erfin­ dungsgemäßen Kühlschiene mindestens die gleiche Breite auf, wie die zu kühlende Bodenplattenfläche des Hochleistungsmo­ duls. Dadurch kann die Durchtrittsgeschwindigkeit bzw. Durchtrittsmenge des Kühlfluids gesteuert werden und so eine optimale Wärmeableitung eingestellt werden. Besonders bevor­ zugt ist eine Kühlschiene mit einem Schlitz oder mehreren Schlitzen, welche die gleiche Breite wie die zu kühlende Bo­ denplattenfläche des Schaltungsmoduls, z. B. des Hochleis­ tungsmoduls, aufweisen.

Zweckmäßigerweise weist die Kammer eine Abdichtungsnut zur Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls auf. Damit kann der Kühlkreislauf vom Abwärme erzeugenden Modul, beispiels­ weise mit einem O-Ring, effizient abgedichtet werden.

Die geeignete Ein bzw. Auslassvorrichtung für das Kühlfluid in bzw. aus der erfindungsgemäßen Kühlschiene hängt von der Auswahl des entsprechenden Kühlfluids ab und kann vom Fach­ mann bereitgestellt werden. Gemäss einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform weist die erfindungsgemäße Kühlschiene ein An­ schlussstück mit einer Ein bzw. Auslassöffnung des Kühlflu­ ids in die Beruhigungszone auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Schaltungsmodul, insbesondere einem Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, welches die oben beschriebenen Kühlschiene aufweist bzw. mit ihr gekühlt wird. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul insbesondere Halbleitermodul oder Leistungshalbleitermodul weist dabei mindestens ein Halbleiterbauelement auf, welches auf einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbe­ sondere einem Keramiksubstrat befestigt ist. Das Isoliersub­ strat wiederum ist an seiner unteren Oberfläche auf einer Bodenplatte insbesondere einer Metallträgerplatte befestigt, von welchem die Verlustwärme mittels Kühlkörper abzuleiten ist. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul insbesondere Halb­ leitermodul oder Leistungshalbleitermodul weist als Kühlkör­ per, auf welchem die Bodenplatte befestigt ist, eine Kühl­ schiene mit mindestens einer Beruhigungszone, insbesondere 1 oder 2 Beruhigungszonen, mindestens einem Schlitz sowie mindestens einer Kammer, durch welche das Kühlfluid strömt, auf.

Während herkömmlich mittels Wärmeübertragungspasten bzw. - folien jegliche Unebenheit ausgeglichen wird, um einen opti­ malen Kontakt zwischen Bodenplatte und dem Kühlkörper herzu­ stellen, erlaubt die erfindungsgemäße Kühlschiene die Ver­ wendung von zumindest teilweise unebenen, bzw. sogar beab­ sichtigt bzw. gezielt strukturierten Bodenplatten. Unter Strukturierung wird hierbei die Einarbeitung jeglicher Art von Unebenheit, Rauhigkeit oder geometrische Formen, z. B. kleine Kühlrippen bzw. pin-fin, in die Bodenplatte, verstan­ den. Die erfindungsgemäße Kühlschiene erlaubt gemäss einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ein Schaltungs­ modul bereitzustellen, welches eine strukturierte Bodenplat­ te, insbesondere Metallträgerplatte, aufweist. Ganz beson­ ders bevorzugt sind, die Partien bzw. Flächen der Bodenplat­ te, insbesondere einer Metallträgerplatte, welche in die Kammer(n) eintauchen strukturiert, insbesondere mit winzigen Kühlrippen bzw. pin-fin. Diese werden im Betrieb mit einem geeigneten Kühlfluid umspült und führen so in besonders ef­ fizienter Weise die Verlustwärme des Moduls ab.

Als Kühlfluid wird typischerweise eine chemisch inerte Flüs­ sigkeit mit hoher spezifischen Wärmekapazität, angepasstem Siedepunkt und/oder hoher Verdampfungsenthalpie, oder ein Gemisch derartiger Flüssigkeiten eingesetzt. Vorzugsweise wird als Kühlfluid hochreines Wasser verwendet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen auf der Grundlage mehrerer beispielhafter bevor­ zugter Ausführungsbeispiele weiter veranschaulicht. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kühlschie­ ne, welche insgesamt 3 Kammern aufweist, für ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen;

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ei­ ne erfindungsgemäße Kühlschiene, welche insgesamt 3 Kammern aufweist;

Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Hochleistungsmodul mit strukturierter Bodenplatte (pin-fin), welche mit der erfindungsgemäßen Kühlschiene gekühlt werden kann.

In den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsfor­ men nach der Erfindung sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Kühlschiene mit insgesamt 3 Kühlkammern, wobei das Anschlussstück 1 eine Ein bzw. Aus­ lassöffnung 5 für das Kühlfluid aufweist. Über das An­ schlussstück 1, welches mit der Kühlschiene verbunden ist, wird über einen handelsüblichen Schlauch das Kühlfluid, bei­ spielsweise hochreines Wasser, in die Beruhigungszone 2 der Kühlschiene gefördert. Ist die Beruhigungszone 2 mit dem Kühlfluid gefüllt so strömt sie durch einen Schlitz 3, der vorzugsweise die gleiche Breite wie die zu kühlende Boden­ plattenfläche des Schaltungsmodul, insbesondere Halbleiter­ modul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, aufweist, in die erste Kammer. Das Kühlfluid umströmt nahezu gleich­ förmig die bevorzugt strukturierte Bodenplatte und führt die Verlustwärme des Moduls von ihr ab. Am Ende der dritten Kam­ mer strömt das Kühlfluid in gleicher Weise aus dem An­ schlussstück 1 aus, wie es zu Beginn eingeströmt ist.

Die in den Fig. 1 und 2 beispielhaft veranschaulichte Kühl­ schiene ist mit insgesamt 3 Kammern ausgestattet und somit für die Kühlung von 3 Modulen in Reihe besonders gut geeig­ net. Dabei strömt das Kühlfluid über die Schlitze 3 sukzes­ sive durch alle 3 Kammern, auf welchen sich jeweils ein Mo­ dul befindet und kann letztendlich durch einen zweiten Schlauch abgeführt werden. Die jeweiligen Module sind auf die erfindungsgemäße Kühlschiene auf die Gewinde 7 aufge­ schraubt. Für eine optimale Abdichtung zwischen den Kammern 4 der Kühlschiene sowie der aufgeschraubten Bodenplatte wird vorzugsweise eine Nut 8 für eine Dichtung, beispielsweise einen O-Ring, bereitgestellt.

Das in der Fig. 3 dargestellte Hochleistungsmodul weist eine Bodenplatte auf, welche in der Fläche, die in die Kammer 4 eintauchen soll, eine pin-fin Struktur aufweist. Diese strukturierte Bodenplattenfläche wird vom Kühlfluid umströmt und die vom Modul erzeugte Abwärme optimal abgeführt.

Claims (14)

1. Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungs­ modulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalblei­ termodulen oder dergleichen, mit einem Halbleiterbauelement, welches auf einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbesondere einem Keramiksubstrat befestigt ist, das wiederum an seiner unteren Oberfläche auf einer zu küh­ lenden Bodenplatte insbesondere einer Metallträgerplatte be­ festigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschiene mindestens eine Beruhigungszone (2), mindestens einen Schlitz (3) sowie mindestens eine Kammer (4) aufweist, durch welche das Kühlfluid strömt.

2. Kühlschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zuerst eine Beruhigungszone (2), dann einen Schlitz (3) und anschließend eine Kammer (4) aufweist, durch welche das Kühlfluid strömt.

3. Kühlschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kammern (4) mit vor bzw. nachgeschalteten Schlitzen (3) in Reihen und/oder Parallelschaltung vorgese­ hen sind.

4. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (3) mindestens die gleiche Breite wie die zu kühlende Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls auf­ weist.

5. Kühlschiene nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (3) die gleiche Breite wie die zu kühlende Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls aufweist.

6. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (4) eine Abdichtungsnut (8) zur Bodenplat­ tenfläche des Hochleistungsmoduls aufweist.

7. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Anschlussstück (1) mit Ein- bzw. Auslas (5) des Kühlfluids aufweist.

8. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Aluminium besteht.

9. Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungs­ halbleitermodul oder dergleichen, mit mindestens einem Halb­ leiterbauelement, welches auf einem wärmeleitenden und e­ lektrisch isolierenden Substrat, insbesondere einem Keramik­ substrat befestigt ist, das wiederum an seiner unteren Ober­ fläche auf einer Bodenplatte insbesondere einer Metallträ­ gerplatte befestigt ist, sowie einem Kühlkörper, auf welchem die Bodenplatte, befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine Kühlschiene gemäss einem der An­ sprüche 1 bis 8 ist.

10. Schaltungsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte, insbesondere eine Metallträgerplatte, strukturiert ist.

11. Schaltungsmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte wenigstens an der Stelle bzw. Fläche, welche in die Kammer (4) eintaucht und vom Kühlfluid umspült wird, strukturiert ist.

12. Schaltungsmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte insbesondere mit einer pin-fin Oberflä­ che strukturiert ist.

13. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid eine chemisch inerte Flüssigkeit mit ho­ her spezifischen Wärmekapazität, angepasstem Siedepunkt und/oder hoher Verdampfungsenthalpie, oder ein Gemisch der­ artiger Flüssigkeiten vorgesehen ist.

14. Schaltungsmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid hochreines Wasser vorgesehen ist.