DE10051338A1 - Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul und Verfahren für deren Herstellung - Google Patents
Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul und Verfahren für deren HerstellungInfo
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Abstract
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei dem in einem einzigen Prozessschritt ohne das Erfordernis einer Nachbearbeitung ein druckfestes, maßstabiles Gehäuse hergestellt werden kann, die sehr zuverlässig ist. In der erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlvorrichtung erfolgt eine Stabilisierung eines Flüssigkeitsraums durch ein darin eingebrachtes gewelltes Blech 5, das sowohl mit dem Gehäuse 4 der Flüssigkeitskühlvorrichtung als auch mit der Kühlfläche 3, auf der ein Submodul 1 befestigt ist, mittels Hartlöten verbunden ist.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie
betrifft eine Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul, wel
ches eine Mehrzahl von nebeneinander auf einer Kühlfläche angeordneten, wärme
erzeugenden Submodulen enthält, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die DE 196 43 717 A1 offenbart eine Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochlei
stungs-Halbleitermodul, das eine Mehrzahl von nebeneinander auf der Kühlfläche
angeordneten, wärmeerzeugenden Submodulen enthält. Jedes der Submodule um
fasst dabei wenigstens ein auf einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat aufge
brachtes Leistungshalbleiterbauelement und ist auf der Unterseite des Keramiksub
strats mit der Kühlfläche stoffschlüssig verbunden. Die Flüssigkeitskühlvorrichtung
weist ein Gehäuse auf, das einen von einem Kühlflüssigkeit durchflossenen Flüssig
keitsraum umschliesst und dessen Oberseite die Kühlfläche bildet. Das Gehäuse
besteht zumindest im Bereich der Kühlfläche aus einem Material, dessen thermischer
Ausdehnungskoeffizient dem therischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramiksub
strate bzw. der Leistungshalbleiterbauelemente der Submodule angepasst ist. Zu
sätzlich können im Flüssigkeitsraum eine Mehrzahl von Zapfen ausgebildet sein, die
von der Kühlfläche her in den Flüssigkeitsraum hineinragen und den Wärmeüber
gang zwischen der Kühlfläche und der Kühlflüssigkeit verbessern. Durch die derart
aufgebaute Flüssigkeitskühlvorrichtung wird die Lastwechselfestigkeit des Modules
wesentlich erhöht.
Jedoch besteht bei dieser herkömmlichen Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halb
leitermodul dahingehend ein Problem, dass das Gehäuse des Kühlers nicht druckfest
ist und sich ausbeult, da die obere Kühlfläche nur an den Rändern festgehalten wird.
Zudem ist er erforderlich, angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten zwi
schen Kühlfläche und Submodulen zu verwenden. Dadurch wird die herkömmliche
Flüssigkeitskühlvorrichtung instabil und ist aufwendig herzustellen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine druckfeste, masstabile Flüs
sigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermodul, bei dem eine Verwendung von Mate
rialien mit thermisch angepassten Ausdehnungskoeffizienten nicht mehr erforderlich
ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung auszubilden.
Diese Aufgabe wird durch eine Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermodul mit
den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung
einer Flüssigkeitskühlvorrichtung nach Patentanspruch 4 gelöst.
Durch die erfindungsgemässe Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermodul
wird das bisher eine Schwachstelle bildende Weichlot als Verbindung zwischen AIN-
Halbleiterkeramiken und Aluminium- oder AlSiC(MMC = Metal Matrix Compound)-
Kühlern beseitigt. Auf diese Weise wird ein druckfestes, massstabiles Gehäuse bzw.
eine Flüssigkeitskühlvorrichtung gebildet.
Die erfindungsgemässe massstabile, druckfeste Flüssigkeitskühlvorrichtung weist
durch den Wegfall der Lotschichten unter anderen einen niedrigen thermischen Wi
derstand Rth auf. Zudem entfällt eine Lotermüdung durch Temperaturzyklen, wie sie
bei herkömmlichen Kühlvorrichtungen aufgrund von Lastwechseln auftrat. Daher ist
durch die erfindungsgemässe Kühlvorrichtung eine erhöhte Zuverlässigkeit sicherge
stellt.
Da bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkeitskühl
vorrichtung für ein Halbleitermodul die Kühlfläche, der Gehäuseteil und die Stabilisie
rungseinrichtung in einem Schritt gleichzeitig mittels Hartlöten verbunden werden,
vereinfacht sich zudem der Herstellungsprozess und ein Nachbearbeitungsschritt
entfällt.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der
nachstehenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offen
sichtlich.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittansicht der erfindungsgemässen Flüssigkeitskühlvorrichtung
für ein Hochleistungs-Halbleitermodul.
Eine erfindungsgemässe Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-
Halbleitermodul wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1, die eine bevorzugte
Weiterbildung zeigt, genauer beschrieben.
In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 1 eine AlN-Submodul-Keramik, 2 eine
Aluminium-Beschichtung, 3 eine Kühlfläche aus Aluminium (Al) oder Aluminium-
Siliziumkarbid (AlSiC) (MMC), 4 ein Gehäuseteil aus Aluminium oder Aluminium-
Siliziumkarbid, 5 einen Stabilisationseinrichtung und 6 eine dielektrische Aussparung
bzw. Rille (bzw. dielectric groove).
Im Gegensatz zur herkömmlichen Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs
halbleitermodul kann in dieser bevorzugten Weiterbildung, die in Fig. 1 gezeigt der
erfindungsgemässen Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-
Halbleitermodul die dielektrische Aussparung bzw. Rille 6 im Bereich um das Sub
modul 1 herum, benachbart zu der Aluminiumbeschichtung 2 ausgebildet sein, auf
der wiederum das Submodul 1 ausgebildet ist. Diese dielektrische Aussparung bzw.
Rille 6 kann ausgebildet sein, um Teilentladungen zu verhindern bzw. die Gefahr von
Teilentladungen zu verringern, die zu einer Bauteilbeschädigung oder Zerstörung
führen könnten, jedoch ist für die Funktion der vorliegenden Erfindung nicht erforder
lich. Durch diese dielektrische Aussparung bzw. Rille 6 wird die Kühlfläche 3 in die
sem Bereich in der Dicke reduziert, wodurch die Stabilität der Kühlfläche 3 zunächst
verringert wird. Aufgrund der erfindungsgemässen Ausgestaltung wirkt sich dies je
doch nicht nachteilig auf die Stabilität der Flüssigkeitskühlvorrichtung aus.
Um die bei einer herkömmlichen Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermodul
fehlende Druckfestigkeit und Massstabilität zu erreichen, wird in der erfindungsge
mässen Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermodul nämlich im Flüssigkeits
raum, der durch die Kühlplatte 3 und den Gehäuseteil 4 gebildet ist, zusätzlich eine
Stabilisationseinrichtung 5 ausgebildet, die beispielsweise aus einem gewellten Blech
besteht. Diese Stabilisationseinrichtung kann hierbei aus Al, AlSiC oder einem ande
ren Metall bestehen, das durch die Korrosion in der Kühleinrichtung definiert ist. Be
züglich der Form der Stabilisationseinrichtung ist es für den Fachmann offensichtlich,
dass auch andere Gestaltungen der Blechform der Stabiliationseinrichtung 5 möglich
sind, solange sie die Stabilisationsfunktion erfüllen.
Die Stabilisationseinrichtung 5 dient zur Stabilisierung des Gehäuses, das aus dem
Gehäuseteil 4 und der Kühlfläche 3 gebildet ist, und auch der Kühlfläche 3 an sich
und ist an allen Kontaktpunkten mit der Kühlfläche 3 und dem Gehäuseteil 4 mittels
Hartlöten verbunden. Auf diese Weise wird die in der herkömmlichen Flüssigkeits
kühlvorrichtung vorhandene Schwachstelle Weichlot, das eine Verbindung zwischen
AlN-Halbleiterkeramiken und Aluminium- oder Aluminium-Siliziumnitrid-Kühlern bildet
und aufgrund von Ermüdung durch durchlaufene Temperaturzyklen brechen kann,
sowie die Verformung des Gehäuses, bestehend aus dem Gehäuseteil 4 und der
Kühlfläche 3, der erfindungsgemässen Flüssigkeitskühlvorrichtung zuverlässig ver
hindert. Darüber hinaus dient die Stabilisationseinrichtung 5 gleichzeitig der Erhö
hung der Wärmeübertragung und dadurch der Erhöhung der Kühleffizienz, da auf
grund der durch die Stabilisierungseinrichtung 5 vergrösserten Oberfläche eine bes
sere Wärmeableitung in die Kühlflüssigkeit erreicht wird. Durch den Wegfall der her
kömmlichen Weichlotschichten wird ausserdem der thermische Widerstand Rth be
deutend verringert, was ebenfalls zu einer verbesserten Kühlung führt.
Die Herstellung der erfindungsgemässen Flüssigkeitskühlvorrichtung erfolgt folgen
dermassen. Zunächst wird in das Gehäuseteil 4 eine Stabilisationseinrichtung 5 ein
gebracht. Anschliessend wird die Kühlfläche 3 mit einer darauf über eine Aluminium-
Beschichtung 2 befestigten AlN-Submodul-Keramik 1, die wiederum auf ihrer Ober
fläche mit einer Aluminium-Beschichtung 2 versehen ist bzw. dort Leistungshalblei
terbauelemente ausgebildet sind, wobei im Bereich auf der Kühlfläche 3 um die AlN-
Submodul-Keramik 1 herum eine dielektrische Aussparung 6 ausgebildet ist, als Ab
deckung auf das Gehäuseteil 4 aufgebracht. Dann erfolgt ein Verbinden der Kühlflä
che 3, der Stabilisierungseinrichtung 5 und des Gehäuseteils 4 an allen Berührung
stellen mittels Hartlöten, wodurch ein massstabiles, druckfestes Gehäuse bzw. eine
Flüssigkeitskühlvorrichtung erhalten wird.
Dadurch, dass im erfindungsgemässen Verfahren die Verbindung der Kühlfläche 3,
der Stabilisierungseinrichtung 5 und des Gehäuseteils 4 in einem einzigen Prozess
schritt erfolgt, wird der Herstellungsprozess vereinfacht und die Herstellungszeit im
Vergleich zur Herstellung einer herkömmlichen Flüssigkeitskühlvorrichtung wesent
lich verkürzt. Ausserdem entfällt beim erfindungsgemässen Verfahren jeglicher
Nachbearbeitungsschritt.
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Flüssigkeitskühlvorrich
tung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei dem in einen einzigen Prozess
schritt ohne das Erfordernis einer Nachbearbeitung ein druckfestes, massstabiles
Gehäuse hergestellt werden kann, die sehr zuverlässig ist. In der erfindungsgemä
ssen Flüssigkeitskühlvorrichtung erfolgt eine Stabilisierung eines Flüssigkeitsraums
durch ein darin eingebrachtes gewelltes Blech, das sowohl mit dem Gehäuse der
Flüssigkeitskühlvorrichtung als auch mit der Kühlfläche mittels Hartlöten verbunden
ist.
Claims (6)
1. Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Hochleistungs-Halbleitermodul, welches eine
Mehrzahl von nebeneinander auf einer Kühlfläche (3) angeordneten, wärmeer
zeugenden Submodulen enthält, wobei jeder der Submodule wenigstens ein auf
einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat (1) aufgebrachtes Halbleiterbau
element umfassen kann und auf der Unterseite des Keramiksubstrate mit der
Kühlfläche (3) formschlüssig verbunden ist, mit:
einem Gehäuse (3, 4), welches einen von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Flüssigkeitsraum umschliesst und dessen Oberfläche die Kühlfläche bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (3, 4) durch einen wannenförmigen Gehäuseteil (4) und als Deck fläche die Kühlfläche (3) gebildet ist;
in den Gehäuseteil (4) eine Stabilisierungseinrichtung (5) eingebracht ist, die mit tels von Hartlötverbindungen an jedem Kontaktpunkt mit dem Gehäuse (3, 4) ver bunden ist, und
die Kühlfläche (3) ebenfalls mittels von Hartlötverbindungen an dem Gehäuseteil (4) befestigt ist.
einem Gehäuse (3, 4), welches einen von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Flüssigkeitsraum umschliesst und dessen Oberfläche die Kühlfläche bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (3, 4) durch einen wannenförmigen Gehäuseteil (4) und als Deck fläche die Kühlfläche (3) gebildet ist;
in den Gehäuseteil (4) eine Stabilisierungseinrichtung (5) eingebracht ist, die mit tels von Hartlötverbindungen an jedem Kontaktpunkt mit dem Gehäuse (3, 4) ver bunden ist, und
die Kühlfläche (3) ebenfalls mittels von Hartlötverbindungen an dem Gehäuseteil (4) befestigt ist.
2. Flüssigkeitskühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Stabilisierungseinrichtung (5) ein gewelltes Blech ist.
3. Flüssigkeitskühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass
die Kühlfläche (3) und/oder der Gehäuseteil (4) aus Aluminium oder Aluminium-
Siliziumkarbid gebildet sind.
4. Flüssigkeitskühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Oberseite der Kühlfläche (3) im Bereich um das Keramiksubstrat (1) her
um eine Aussparung (6) ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkeitskühlvorrichtung für ein Halbleitermo
dul, mit den Schritten:
Einbringen einer Stabilisationseinrichtung (5) in ein wannenförmiges Gehäuseteil (4) einer Flüssigkeitskühlvorrichtung,
Aufbringen einer Kühlfläche (3) mit einer darauf über eine Aluminium beschichtung (2) befestigten AlN-Submodul-Keramik (1), die wiederum auf ihrer Oberfläche mit einer Aluminium-Beschichtung (2) sowie Leistungshalbleiterbau elementen versehen ist, auf den Gehäuseteil (4) als Deckplatte,
Verbinden der Kühlfläche (3), der Stabilisierungseinrichtung und des Gehäuse teils (4) an allen Berührungsstellen mittels Hartlöten, wodurch ein massstabiles, druckfestes Gehäuse erhalten wird.
Einbringen einer Stabilisationseinrichtung (5) in ein wannenförmiges Gehäuseteil (4) einer Flüssigkeitskühlvorrichtung,
Aufbringen einer Kühlfläche (3) mit einer darauf über eine Aluminium beschichtung (2) befestigten AlN-Submodul-Keramik (1), die wiederum auf ihrer Oberfläche mit einer Aluminium-Beschichtung (2) sowie Leistungshalbleiterbau elementen versehen ist, auf den Gehäuseteil (4) als Deckplatte,
Verbinden der Kühlfläche (3), der Stabilisierungseinrichtung und des Gehäuse teils (4) an allen Berührungsstellen mittels Hartlöten, wodurch ein massstabiles, druckfestes Gehäuse erhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Ausbilden einer Aussparung (6) in der Kühlfläche (3) im Bereich und die AlN- Submodul-Keramik (1) herum.
Ausbilden einer Aussparung (6) in der Kühlfläche (3) im Bereich und die AlN- Submodul-Keramik (1) herum.
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