DE102004002743A1 - Cooling body for power electronics especially in automotive field has a thick coating of ceramic or hard material applied by thermal spraying or vapor deposition - Google Patents

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Abstract

A cooling body (1) for power electronics (5) comprises a thick hard material or ceramic coating (2) having high electrical insulation and high thermal conductivity that is applied by thermal spraying or chemical or physical vapor deposition.

Description

Technisches Gebiet der Erfindungtechnical Field of the invention

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, der mit einer speziellen elektrisch gut isolierenden Oberflächenbeschichtung beschichtet ist, die gleichzeitig in der Lage ist, die Wärmeenergie von vorzugsweise Leistungskomponenten wirkungsvoll abzuleiten. Der Kühlkörper ist Hauptbestandteil der Aufbau- und Verbindungstechnik insbesondere für den Automotive Bereich, aber auch für sonstige Bereiche der Elektrotechnik und Mechatronik.The The invention relates to a heat sink, with a special electrically well insulating surface coating Coated, which is at the same time capable of heat energy of preferably derive power components effectively. The heat sink is Main component of the assembly and connection technology in particular for the Automotive field, but also for other areas of electrical engineering and mechatronics.

Ein immer höher werdendes Angebot an elektrischen Komponenten mit hohen elektrischen Leistungen erfordert ein Höchstmaß an Kühlleistung, um die entstehenden Verlustleistungen der Komponenten, die in Wärmeenergie umgewandelt werden, gezielt abzuführen. Sind die zunehmenden thermischen Anforderungen im gesamten Bereich der Elektrotechnik und Mechatronik angesiedelt, soll insbesondere der Bereich der Leistungselektronik im Automotive Sektor genauer angeführt werden. Dieser unterscheidet sich gerade heute durch einen fest entschlossenen Kurs in Richtung 42 Volt Systeme (700 A Spitzenströme!) und am Beispiel eines Mild-Hybrid Systems von sogar 360 V Systemen im Fahrzeug.One higher and higher Expected offer of electrical components with high electrical power Requires maximum cooling power to the resulting power losses of the components resulting in heat energy be converted, targeted to dissipate. Are the increasing thermal requirements in the entire field of electrical engineering and mechatronics, especially the field of power electronics in the automotive sector. This is different just today through a determined course towards 42 volt systems (700 A peak currents!) And the example of a Mild hybrid system of even 360 V systems in the vehicle.

Diese Systeme werden durch Hochleistungsmodule elektrisch geregelt, wobei die Wärme durch meist flüssig-gekühlte Kühlkörper abgeführt wird. Oftmals werden hierzu aus Kostengründen ungehäuste Komponenten verwendet, die elektrisch direkt mittels Stromleitschienen auf den Kühlkörper aufgebracht werden. Damit die Bauteile nicht alle auf dem selben Potential liegen, müssen diese elektrisch gegen den Kühlkörper (und somit gegeneinander) isoliert werden. Meist sind die Merkmale dieser Isolation, dass je höher die elektrische Isolierung ist, desto schlechter ist dessen Wärmeleitung. Somit sind die geforderten Eigenschaften meist gegenläufig.These Systems are electrically controlled by high power modules, wherein the heat through usually liquid-cooled heat sink is dissipated. Often for reasons of cost unhoused components are used, the electrically applied directly by means of Stromleitschienen on the heat sink become. So that the components are not all at the same potential, have to this electrically against the heat sink (and thus against each other) are isolated. Most are the features of this Isolation that the higher the electrical insulation is, the worse is its heat conduction. Thus, the required properties are usually in opposite directions.

Der Stand der Technik erlaubt nun eine Vielzahl an möglichen Varianten:
Die häufigst anzutreffende Variante ist die Verwendung von DBC (Direct Bonded Copper), deren Isolationswirkung auf eine verwendete Keramikplatte (meist Al2O3) beruht, die zwischen 2 Kupferplättchen eingebracht wird.The state of the art now allows a multiplicity of possible variants:
The most frequently encountered variant is the use of DBC (Direct Bonded Copper), whose insulating effect is based on a used ceramic plate (usually Al 2 O 3 ), which is introduced between 2 copper plates.

Ähnlich dieser Anwendung werden gedruckte Hybridschaltungen (meist Silber bzw. Silber-Palladium Dickdruckschaltungen auf Keramiksubstraten) eingesetzt.Similar to this Application are printed hybrid circuits (usually silver or Silver-palladium Thick pressure circuits on ceramic substrates) used.

Eine weitere Alternative ist die Verwendung von Wärmeleitklebern mit elektrisch isolierendem Füllstoff (z. B. Glaskugeln), der auf die Kühlkörper aufgedruckt, gestempelt, dispenst oder gerakelt wird.A Another alternative is the use of thermal adhesive with electrical insulating filler (eg glass beads) printed on the heatsink, stamped, is being dissected or doctored.

Für geringe Durchschlagspannungs-Isolierungen werden Al-Kühlkörper mittels Eloxal-Verfahren mit einer dünnen isolierenden Al2O3-Schicht hergestellt (nicht im Automotive-Sektor aber in vielen anderen Anwendungen der Elektrotechnik).For low breakdown voltage insulation, Al heatsinks are manufactured by anodising with a thin insulating Al 2 O 3 layer (not in the automotive sector but in many other electrical engineering applications).

Kritik des Standes der TechnikCriticism of State of the art

Hat sich von allen oben genannten Verbindungstechnologien die DBC-Technologie am häufigsten etabliert, so sind ihr mit steigendem Leistungspotential schon jetzt Grenzen gesetzt: Stand der Technik bei DBCs sind ca. 0,3 mm dicke Kupferplättchen, deren elektrische Leitung durch ihre geringe Dicke limitiert ist. Insbesondere bei 42 Volt Systemen mit hohen Strömen (700 A) erzeugen die Kupfer-Leiter selbst hohe Verlustleistungen, die ebenfalls in Form von Wärme abzuführen sind. Folge können insbesondere in Verbindung mit Thermowechselbelastungen Mikrorisse in der Keramiklage sein, die zu einer frühzeitigen Alterung des Systems führen können und somit ein Zuverlässigkeitsproblem darstellen können. Diese Erscheinung kann auch bei Verwendung von Aluminium-Nitrid auftreten – wobei hier sicherlich die Kosten dieser Keramik in Plattenausführung als Nachteil aufzuführen sind.Has Of all the above-mentioned connection technologies, the DBC technology most frequently established, so you are with increasing performance potential already Limits set: State of the art in DBCs are about 0.3 mm thick Copper plates, whose electrical conduction is limited by its small thickness. In particular, in 42 volt systems with high currents (700 A) produce the copper conductors even high power losses, which are also dissipate in the form of heat. In particular, episode can in connection with thermal changes microcracks in the ceramic layer be an early one Lead to aging of the system can and thus a reliability problem can represent. This phenomenon can also occur when using aluminum nitride occur - where here certainly the cost of this ceramic in panel design as Disadvantage to list are.

Nachteil der Hybridtechnologie ist hier speziell die Limitierung der Schichtdicken und somit der Strom-Tragfähigkeit. Diese scheidet somit für derart hohe Leistungen insbesondere bei 42 Volt Systemen aus (allenfalls als Unterkomponente).disadvantage The hybrid technology is here specifically the limitation of the layer thicknesses and thus the current carrying capacity. This separates for Such high performance especially in 42 volt systems from (possibly as a subcomponent).

Der Nachteil von Wärmeleitklebern beruht auf deren geringe Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/mK. Sollten z.B. Hybridsysteme mit 360 Volt elektrisch isoliert werden, so müßte die Klebschichtdicke ca. 0,8 – 1 mm dick werden. Stand der Technik von Klebschichtdicken sind ca. 50 bis 200 μm, somit wäre mit dem linearen Anstieg des k-Wertes eine nicht tragbare Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit gegeben. Für diese Systeme scheidet die Klebevariante aus heutiger sicht aus. Klebstoffe mit höherer thermischer Leitfähigkeit sind meist mit metallischen Füllstoffen (z.B. Silberleitklebstoffe) gefüllt und können wegen einer Kurzschlußbildung folglich nicht verwendet werden.Of the Disadvantage of thermal adhesive based on their low thermal conductivity of about 2 W / mK. Should e.g. Hybrid systems with 360 Volt electric be isolated, so the Adhesive layer thickness approx. 0.8 - 1 mm thick. The state of the art of adhesive layer thicknesses is approx. 50 to 200 μm, thus would be with the linear increase in the k value is an intolerable deterioration given the thermal conductivity. For this Systems eliminates the adhesive variant from today's perspective. adhesives with higher thermal conductivity are mostly with metallic fillers (e.g., silver conductive adhesives) and can because of a short circuit consequently not be used.

Weiterer Nachteil bisher kritisierter Verfahren ist „schleichender Aluminium-Fraß" in Kombination mit Salznebeltests und anderen Chemikalientests. Hierbei wirken sich Beschichtungen meist vorteilhaft aus.Another Disadvantage of previously criticized process is "creeping aluminum feed" in combination with Salt spray tests and other chemical tests. This effect Coatings usually advantageous.

Kühlkörper, die mittels Eloxal-Verfahren elektrisch isoliert werden, haben diese Korrosionserscheinungen zwar nicht, sind jedoch Meilen entfernt von den Isolationsanforderungen bei Leistungsmodulen. Hier werden 1000 V und mehr bei einer hohen Zuverlässigkeit gefordert. Die geringen Schichtdicken und vor allem die Kratzempfindlichkeit solcher Beschichtungen sind leider ungeeignet und scheiden dadurch ebenfalls aus.Heatsinks that are electrically insulated by anodizing process, while not having these signs of corrosion, are miles away of the isolation requirements for power modules. Here 1000 V and more with high reliability are required. Unfortunately, the low layer thicknesses and especially the scratch sensitivity of such coatings are unsuitable and thus also eliminated.

Aufgabetask

Die Aufgabe ergibt sich aus dem Stand der Technik und deren erörterten Nachteile. Wie kann man wirtschaftlich insbesondere Leistungsmodule aufbauen, die mittels elektrisch isoliertem Kühlkörper (insbesondere hohe Spannungsisolation) den Leistungskomponenten optimal Wärme entzieht und abführt.The Task arises from the prior art and its discussed Disadvantage. How can you economically build power modules in particular, by means of electrically insulated heat sink (in particular high voltage insulation) optimally extracts heat from the power components and dissipates them.

Lösung der AufgabeSolution of task

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kühlkörper mit einer hinreichend dicken elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Beschichtung (vorzugsweise Hartstoffbeschichtungen und keramische Systeme) hergestellt wird auf die insbesondere Leadframes (Stromschienen) mit insbesondere ungehäusten Leistungskomponenten aufgebaut werden können.The The object is achieved in that a heat sink with a sufficiently thick electrically insulating and thermally good conductive coating (preferably hard coatings and ceramic systems) is produced on the particular lead frames (Busbars) constructed with particular unhoused power components can be.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

Als Kühlkörpermaterial wird vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Gemische (z.B. AlSiC) bzw. Kupfer oder Kupferlegierungen verwendet. Die Formgebung des Kühlkörpers geschieht vorzugsweise durch Gießverfahren oder Strangpressverfahren. Die Form ist vorzugsweise mit einer planen Oberfläche versehen, die für die Beschichtung ist. Das Beschichtungsmaterial ist ein elektrisch isolierendes und thermisch gut leitendes Material, vorzugsweise eine Keramikschicht (insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid).When Heat sink material Preferably, aluminum, an aluminum alloy or mixtures (e.g. AlSiC) or copper or copper alloys used. The shape the heat sink is preferably done by casting or extrusion molding. The shape is preferably with a plan surface provided for the coating is. The coating material is an electrically insulating and highly thermally conductive material, preferably a ceramic layer (especially aluminum oxide or aluminum nitride).

Die Beschichtung wird vorzugsweise durch Thermische Spritzverfahren oder CVD bzw. PVD Prozesse aufgetragen. Die Beschichtung kann als Monolayer oder aber auch als Mehrfachlayer ausgeführt sein. Die Schichtdicke richtet sich nach der geforderten Durschlagsspannungs-Festigkeit (vorzugsweise Schichtdicken für Spannungsfestigkeiten von über 1000 Volt – somit je nach Schichtsystem vorzugsweise mindestens 100 μm).The Coating is preferably by thermal spraying or CVD or PVD processes applied. The coating can be used as a monolayer or else be designed as a multiple layer. The layer thickness depends on the required Durschlagsspannungs strength (preferably layer thicknesses for Voltage strengths of over 1000 volts - thus preferably at least 100 μm depending on the layer system).

Vorzugsweise wird auf diesem Kühlkörper Leitermaterial (bevorzugt insbesondere dicke Kupfer-Schienen) aufgebaut z.B. (vorzugsweise durch Kleben mittels z.B. metall-gefüllten Klebstoff, Klemmen mit oder ohne Wärmeleitpaste, Schrauben, Löten – wobei fürs Löten eine Zwischenmetallisierung erforderlich sein kann). Das Leitermaterial ist in jedem Falle nicht durch weitere insbesondere maskierte Beschichtungen und daraus resultierenden Leitebahnen zu realisieren, da die Strom-Tragfähigkeit zu gering wäre. Dieses Leitermaterial (bevorzugt dicke Stromschienen) ist vorzugsweise mit Leistungselektronik (z.B. FETs) bestückt (vorzugsweise gelötet). Es können jedoch auch direkt auf der Kühlkörperbeschichtung elektronische Komponenten aufgebaut werden.Preferably becomes conductive material on this heat sink (preferably, in particular, thick copper bars) constructed e.g. (preferably by gluing by means of e.g. metal-filled adhesive, clamped with or without thermal grease, Screws, soldering - where for soldering one Intermetallization may be required). The conductor material is in any case not by further in particular masked coatings and to realize resulting tracks, as the current carrying capacity would be too low. This conductor material (preferably thick busbars) is preferably Power electronics (such as FETs) equipped (preferably soldered). It can, however also directly on the heatsink coating electronic components are built.

Erreichte Vorteilereached advantages

Wirtschaftliche Herstellung von Kühlkörpern mit hoher elektrischer Isolierung bei gleichzeitiger hohen thermischen Leitfähigkeit. Thermischer Wirkungsgrad ist höher als bei herkömmlichen Aufbautechnologien, die zum Stand der Technik gehören. Hohe Zuverlässigkeit durch Kratzfestigkeit der vorzugsweise Hartstoff- oder Keramikbeschichtung. Kühlkörper ist besonders geeignet für den Aufbau von Leistungselektroniken. Zum weiteren Verbinden insbesondere von Stromschienen kann elektrisch leitendes Material verwendet werden, welches den Vorteil guter thermischer Leitfähigkeit in sich birgt. Darüber hinaus ist die Funktionsfläche (Oberseite) des Kühlkörpers korrosionsbeständig auch gegenüber Salznebeltests und anderen Chemikalien.economic Production of heat sinks with high electrical insulation with simultaneous high thermal Conductivity. Thermal efficiency is higher as with conventional Construction technologies that belong to the state of the art. Height reliability by scratch resistance of the preferably hard material or ceramic coating. Heat sink is especially suitable for the construction of power electronics. To further connect in particular of busbars, electrically conductive material can be used which has the advantage of good thermal conductivity in itself. Furthermore is the functional area (Top) of the heat sink corrosion resistant, too against salt spray tests and other chemicals.

Herstellung der Erfindungmanufacturing the invention

Die Kühlkörper können aus beliebigen, bekannten Herstellungsverfahren und mittels üblichen Materialien (bevorzugt Al, Cu, AlSiC, ...) hergestellt werden.The Heat sinks can off any known production methods and by means of conventional materials (preferably Al, Cu, AlSiC, ...) are produced.

Die Herstellung der Kühlkörperbeschichtung kann wie bereits erwähnt bevorzugt durch Thermische Spritzverfahren, CVD- und PVD- Verfahren hergestellt werden.The Production of the heat sink coating can As already mentioned preferred by thermal spraying, CVD and PVD processes getting produced.

Die weitere Aufbau- und Verbindungstechnik kann durch vorzugsweise Kleben mittels z.B. metall-gefüllten Klebstoff, Klemmen mit Wärmeleitpaste/Folie, Schrauben, oder partiellem Metallisieren mit anschließendem Löten hergestellt werden.The further construction and connection technology can by preferably bonding by means of e.g. metal-filled Adhesive, clamps with thermal grease / foil, Screws, or partial metallization made with subsequent soldering become.

Ausführungsbeispiel der Erfindungembodiment the invention

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand beigefügter Zeichnung (s. 1) näher erläutert.In the following an embodiment with reference to accompanying drawing (s. 1 ) explained in more detail.

Ein Kühlkörper (1), bevorzugt verrippt mit elektrisch isolierender, thermisch gut leitender Beschichtung (2), bevorzugt als Hartstoffsystem bzw. aus Keramik. Auf diese Beschichtung kann Verbindungskomponente (3) aufgebaut werden, vorzugsweise thermisch gut leitendes Material (z.B. Klebstoff mit Metallpartikelfüllung), der vorzugsweise Leiterschienen (4) (z.B. Kupferleitschiene bzw. Leadframe) aufnimmt. Leistungskomponente (5) (z.B. FET) kann mit (4) verbunden werden, vorzugsweise durch Löten oder Leitkleben.A heat sink ( 1 ), preferably ribbed with electrically insulating, thermally well conductive coating ( 2 ), preferably as a hard material system or ceramic. Compound component ( 3 ) are constructed, preferably thermally highly conductive material (eg adhesive with metal particle filling), the preferably conductor rails ( 4 ) (eg copper guide rail or lead frame). Service component ( 5 ) (eg FET) can With ( 4 ), preferably by soldering or conductive bonding.

Der Aufbau gewährleistet eine Kühlung der beiden Komponenten (5).The structure ensures cooling of the two components ( 5 ).

Die beiden Komponenten (5) und die beiden Komponenten (4) können insbesondere auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen, da die Schicht (2) die beiden von einander isoliert – gleichzeitig kann der Kühlkörper insbesondere auf Masse liegen.The two components ( 5 ) and the two components ( 4 ) can in particular be at different electrical potential, since the layer ( 2 ) the two insulated from each other - at the same time, the heat sink can be in particular to ground.

Claims (4)

Kühlkörper für Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, dass dicke Hartstoff- bzw. Keramikbeschichtung (2) mit hoher elektrischen Isolationswirkung und hoher thermischer Leitfähigkeit mittels Thermischen Spritzverfahren oder CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht wird.Heat sink for power electronics, characterized in that thick hard material or ceramic coating ( 2 ) with high electrical insulation effect and high thermal conductivity by means of thermal spraying or CVD or PVD method is applied. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass auf der Hartstoff- bzw. Keramikbeschichtung (2), Verbindungselement (3) aufgetragen wird, in Form von Klebstoff oder Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie oder Lot mit oder ohne partieller Zwischenmetallisierung oder vergleichbaren Verbindungselementen.Heat sink according to claim 1, characterized in that on the hard material or ceramic coating ( 2 ), Connecting element ( 3 ) is applied, in the form of adhesive or thermal paste or heat conducting foil or solder with or without partial intermetallization or comparable connecting elements. Kühlkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass mittels Verbindungselement (3) ein Elemente (4) verbunden wird. Elemente (4) sind Leiterschienen oder Leadframes oder Heatspreader oder elektrische Komponenten durch die Strom fließt und die entweder zueinander oder zum Kühlkörper elektrisch isoliert werden und Wärme an den Kühlkörper abgeben.Heat sink according to claim 1 and 2, characterized in that by means of connecting element ( 3 ) an element ( 4 ) is connected. Elements ( 4 ) are conductor rails or leadframes or Heatspreader or electrical components through which current flows and which are electrically insulated either to each other or to the heat sink and deliver heat to the heat sink. Kühlkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass auf Element (4) weitere Aufbauten von Elementen (5) stattfinden. Elemente (5) sind elektrische, gehäuste oder ungehäuste Komponenten mit oder ohne Heatspreader. Das Verbinden der Elemente (5) kann mittels Lot, Klebstoff, (Reib)-schweißverfahren oder vergleichbaren Verfahren stattfinden.Heat sink according to claim 1 to 3, characterized in that on element ( 4 ) further constructions of elements ( 5 ) occur. Elements ( 5 ) are electrical, packaged or unhoused components with or without heatspreader. Connecting the elements ( 5 ) can take place by means of solder, adhesive, (friction) welding or similar methods.
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