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Die Erfindung betrifft einen Kühlungsaufbau für eine Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Schaltung.
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Stand der Technik
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Moderne Anwendungen in der Automobiltechnik benötigen zunehmend Leistungsbauelemente mit hoher Stromtragfähigkeit in möglichst kompakter Bauweise. Es sind heute Halbleitertechnologien verfügbar, die sehr hohe Ströme tragen und schalten können, wenn die hohe als Wärme anfallende Verlustleistung über einen geeigneten Adaptionsaufbau vom Chip an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Wärmeabfuhr erfolgt in Standardgehäusen im Wesentlichen über die großflächig auf ein Kupferstanzgitter des Gehäuses gelötete Chiprückseite. Der Kupferkörper des Gehäuses dient dabei unter anderem zur effizienten Wärmespreizung und zur Wärmeabfuhr an die Umgebung oder an eine geeignete Kühlfläche.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere Leistungsbauelemente einer komplexen Schaltung (zum Beispiel eine B6-Schaltung von Leistungstransistoren, eine H-Brücken-Schaltung, Wechselrichteranordnungen) auf einem geeigneten Schaltungsträger, zum Beispiel einer Leiterplatte oder einem Keramiksubstrat, zu montieren und die gesamte Schaltungsanordnung in einem Gehäuse zu verpacken, um ein sogenanntes Leistungsmodul herzustellen.
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Eine derartige, kompakte Modulbauweise erfordert eine effiziente Wärmeabfuhr der in den Leistungsbauelementen, zum Beispiel Power-MOS-Transistoren, erzeugten Verlustleistung. Dafür wird beispielsweise der Schaltungsträger auf einen Kühlkörper montiert, zum Beispiel durch Löten oder Kleben, wobei der Kühlkörper als Wärmekapazität, Wärmespreizer und/oder gegebenenfalls als Grundplatte zur Montage an einer weiteren Kühlfläche dient.
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Gemäß dem Stand der Technik wird die Verbindung zwischen Leistungsmodulen und Kühlkörper mittels eines Verbindungselements hergestellt. Insbesondere ist es aus der
DE 100 62 108 A1 bekannt das Adaptionselement als Sinterschicht auszuführen oder gemäß der
WO 01/24260 A1 eine Klebstoffschicht vorzusehen. Da das Leistungsmodul und der Kühlkörper während ihrer Einsatzdauer erheblichen Temperaturschwankungen unterworfen sind – sei es durch die im Betrieb innerhalb der Schaltung erzeugte Wärme oder durch externe Einflüsse –, müssen das Leistungsmodul, beziehungsweise der das Leistungsmodul tragende Schaltungsträger, und der Kühlkörper über weitestgehend gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen, da ansonsten die aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen entstehenden Spannungen zu Beschädigungen des Leistungsmoduls führen können. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines typischen Schaltungsträgers, also insbesondere einem DBC-Keramiksubstrat (Direct Bonded Copper) sehr nahe kommt, werden für diese Art der Kühlung Kühlkörper aus Kupfer eingesetzt. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass die Herstellung von Kupferkühlkörpern erhebliche Kosten mit sich bringt.
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Aus der gattungsbildenden
JP 11-204 968 A ist eine Kühlvorrichtung bekannt, die einen Aluminium-Kühlkörper umfasst, der mit einem mehrteiligen Verbindungselement verbunden ist. Im Bereich der Verbindung mit dem Kühlkörper weist das Verbindungselement ein Aluminiumteil auf. Auf der gegenüberliegenden Seite weist das Verbindungselement ein Kupferteil auf, wodurch die Verbindung zu einer Kupfer-Grundplatte optimiert wird. Das Aluminiumteil und das Kupferteil sind durch eine Silberschicht verbunden. Damit wird eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie Stabilität gegenüber den Temperaturwechseln erzielt.
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Aus
DE 102 45 266 A1 ist ein Verfahren zur Kühlung von Elektronikbauteilen bekannt, bei dem ein Kühlkörper vorgesehen ist, der metallisch ausgebidlet ist und eine Vertiefung aufweist, in die eine metallgefüllte Keramik eingebracht ist. Über eine Metallisierungsschicht ist ein elektronisches Bauteil mit dem Kühlkörper verbunden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung bildet den Stand der Technik dahingehend weiter, dass das Verbindungselement einen ersten Verbindungsbereich, ein Adaptionselement und einen zweiten Verbindungsbereich aufweist, wobei das Adaptionselement zwischen erstem und zweitem Verbindungsbereich und der zweite Verbindungsbereich am Kühlkörper angeordnet ist, und das Adaptionselement einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als ein zweiter Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers. Damit ist es nun in vorteilhafter Weise möglich, den Kühlkörper aus einem Material zu fertigen, insbesondere aus einem preiswerteren Material, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der weniger gut an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schaltung angepasst ist, insbesondere fehlangepasst ist. So können nun beispielsweise Kühlkörper aus Aluminium verwendet und dennoch die vom Kühlaufbau an der Schaltung hervorgerufenen Spannungen sehr gering gehalten werden. Die thermomechanischen Verspannungen zwischen Kühlkörper und Schaltung beziehungsweise Leistungsmodul aufgrund der Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten werden durch das erfindungsgemäße Adaptionselement und erstem und zweitem Verbindungsbereich reduziert beziehungsweise von diesen aufgenommen. In der Anordnung von Adaptionselement, zweitem Verbindungsbereich und Kühlkörper werden die Spannungen zwischen Adaptionselement und Kühlkörper abgebaut, während die Anordnung von erstem Verbindungsbereich und Adaptionselement die Spannungen zwischen dem Adaptionselement und der Schaltung abbaut. Somit reduziert der Kühlungsaufbau insbesondere die Belastung von in der Schaltung enthaltenen empfindlichen Siliziumchips. Der vorgeschlagene Kühlungsaufbau stellt eine sehr gute Wärmeanbindung bei gleichzeitiger mechanischer Entlastung dar. Das Adaptionselement erlaubt zugleich eine gewisse Flexibilität bei der Wahl des Kühlkörpers, da Fertigungstoleranzen oder konstruktive Besonderheiten über das Adaptionselement ausgeglichen werden können. Es lassen sich daher auch sehr unterschiedliche Kühlkörper mit unterschiedlichen Schaltungen beziehungsweise Leistungsmodulen verbinden, indem das Adaptionselement geeignet gewählt wird. Insbesondere können mittels des vorgeschlagenen Aufbaus kostengünstige Kühlkörper aus fehlangepasstem Material vorteilhaft eingesetzt werden. Wird das Adaptionselement bei der Montage der Schaltung als „verlorene” Form, also als Füge- beziehungsweise Positionierhilfe, verwendet, so reduziert sich die Komplexität der Werkstückträger, da der Einsatz zusätzlicher Füge- beziehungsweise Positionierhilfen (beispielsweise Fügerahmen oder mehrteilige Lötformen) nicht erforderlich ist.
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Vorteilhafterweise sind erster Verbindungsbereich, Adaptionselement und zweiter Verbindungsbereich als Schichtaufbau ausgebildet. Ein derartiger Aufbau lässt sich kostengünstig herstellen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Adaptionselement eine Adaptionsplatte.
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Mit Vorteil ist der Kühlkörper in Aluminium ausgeführt. Neben der bereits erwähnten Kostenersparnis bei Verwendung von Aluminium als Kühlkörpermaterial stellt sich zudem bei vergleichbar großen Kühlkörpern eine Gewichtsersparnis ein, beziehungsweise kann bei gleichem Gewicht eine größere Wärmekapazität zur Verfügung gestellt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das Adaptionselement in Kupfer ausgeführt. Die Kupfer-Adaptionsplatte kann dabei insbesondere mit einer Dicke von zirka 0,5 bis 2 mm ausgeführt sein. Da Kupfer einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Schaltung (beziehungsweise deren Schaltungsträger) entspricht, werden die mechanischen Spannungen zwischen dem Adaptionselement und der dem Kühlungsaufbau zugeordneten Schaltung sehr gering gehalten.
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Vorteilhafterweise ist mindestens ein Verbindungsbereich als Lotschicht ausgeführt. Eine derartige Verbindung, insbesondere mittels einer großflächigen Lötung, weist sowohl gute mechanische Eigenschaften als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Das Lotmaterial, in Form von Preforms oder Paste, Lotschichtdicke und Adaptionsplattendicke sind applikationsspezifisch geeignet zu wählen, um ein Optimum zwischen thermischer Wärmeanbindung und thermomechanischer Stressrelaxation zu erreichen. Die Lotschicht weist dabei insbesondere eine Dicke von mehreren hundert μm auf. Es ist ferner vorteilhaft, wenn erster und zweiter Verbindungsbereich als Lotschicht ausgeführt sind. Prinzipiell können auch andere Verbindungstechniken verwendet werden, wie zum Beispiel wärmeleitende Klebstoffe.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlungsaufbau seinem festen Sitz auf dem Kühlkörper dienende Haltemittel aufweist. Damit lässt sich auf besonders einfache Weise einerseits die Positionierung der Adapterplatte auf dem Kühlkörper erreichen und andererseits die Lotschichtdicke zwischen Adapterplatte und Kühlkörper einstellen.
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Gemäß der Erfindung sind die Haltemittel kraftschlüssig oder formschlüssig wirkend ausgebildet.
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Mit Vorteil weist das Adaptionselement Abdichtkonturen auf, die bei einer Herstellung des Kühlungsaufbaus mit einem Werkzeug in einer Schließebene zusammenwirken. Damit können die für den Passivierungsprozess (beispielsweise Transfer-Molden) erforderlichen Abdichtkonturen auf einfache Weise an der Adapterplatte realisiert werden, sodass diese Konturen am Kühlkörper und/oder an der Leistungselektronik entfallen können. Damit ergeben sich für die letztgenannten Elemente konstruktive und fertigungstechnische Vorteile.
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Vorteilhafterweise weist das Adaptionselement Ausnehmungen auf, insbesondere Bohrungen und/oder Hinterschnitte zur Verkrallung einer Gussmasse. Dadurch findet die Gussmasse, insbesondere Spritzgussmasse, die der Abdichtung der Schaltung gegenüber der Umwelt dient, einen guten Halt und trägt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems bei.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Adaptionselement als Stanz- und/oder Biegeteil ausgebildet. Damit lässt sich das Adaptionselement besonders kostengünstig herstellen.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Adaptionselement eine die Verbindung zu erstem und/oder zweitem Verbindungsbereich verbessernde Beschichtung aufweist. So lässt sich mit einer nickelhaltigen Beschichtung die Lötfähigkeit der Oberfläche des Adaptionselements verbessern. Ist für den Kühlungsaufbau oder ein Teil des Kühlungsaufbaus eine Klebemontage vorgesehen, so lässt sich auch eine dazu passende Beschichtung wählen.
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Mit Vorteil weist der Kühlkörper von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle auf. Als Kühlmedien können dabei sowohl gasförmige als auch flüssige Medien eingesetzt werden. Ein solcher aktiver Kühlkörper stellt eine höhere, insbesondere deutlich höhere Kühlleistung zur Verfügung, sodass die nunmehr aktiv gekühlten Leistungsbauelemente der Schaltung mit höheren Strömen belastet und/oder kompakter verpackt werden können.
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Vorteilhafterweise ist der erste Verbindungsbereich an seiner von dem Adaptionselement abgewandten Seite mit einer Schaltung verbunden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Schaltung an ihrer dem ersten Verbindungsbereich zugewandten Seite einen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat, aufweist. Dadurch vereinfacht sich die Handhabung der Schaltung während des Herstellungsprozesses und die Anbindung an den ersten Verbindungsbereich, insbesondere bei Verwendung eines DBC-Keramiksubstrats.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die betragsmäßige Differenz zwischen einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schaltung oder des Schaltungsträgers und dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als die betragsmäßige Differenz zwischen dem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer Schaltung, wobei Wärmeenergie der Schaltung an einen Kühlkörper abgegeben wird. Erfindungsgemäß wird dabei die Wärmeenergie von der Schaltung über einen ersten Verbindungsbereich an ein Adaptionselement geleitet und von dort über einen zweiten Verbindungsbereich an den Kühlkörper. Das Adaptionselement weist dabei einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als ein zweiter Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 das Prinzip eines Kühlungsaufbaus und einer daran angeordneten Schaltung,
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2 eine erste Ausführungsform eines Kühlungsaufbaus mit einer daran angeordneten Schaltung, wobei das Adaptionselement zu seiner Halterung Federelemente aufweist,
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3 eine erste Ausführungsform eines Kühlungsaufbaus mit einer daran angeordneten Schaltung, wobei das Adaptionselement zu seiner Halterung Einsteckclips aufweist, und
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4 eine Draufsicht auf einen Kühlungsaufbau mit einer daran angeordneten Schaltung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen Kühlungsaufbau 1 und eine daran angeordnete Schaltung 10. Der Kühlungsaufbau 1 weist einen Kühlkörper 12 und ein Verbindungselement 14 auf, wobei das Verbindungselement 14 einen ersten Verbindungsbereich 16, ein Adaptionselement 18 und einen zweiten Verbindungsbereich 20 aufweist. Dabei bilden erster Verbindungsbereich 16, Adaptionselement 18, zweiter Verbindungsbereich 20 und Kühlkörper 12 den gezeigten Schichtaufbau, in dem das Adaptionselement 18 als Adaptionsplatte 22 ausgeführt ist. Das Adaptionselement 18 ist in Kupfer mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 (zirka 16,5·10–6/K) ausgeführt und der Kühlkörper 12 in Aluminium mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten α2 (zirka 23,8·10–6/K). Erster und zweiter Verbindungsbereich 16, 20 sind jeweils als Lotschicht 24 ausgeführt. Das Adaptionselement 18 weist an seiner Oberseite 26 und seiner Unterseite 28 jeweils eine nickelhaltige Beschichtung 30 zur Verbesserung der Lötfähigkeit auf. In den Kühlkörper 12 ist ein Kühlkanal 32 integriert, der während des Betriebs von einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
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Die Schaltung 10 weist einen Schaltungsträger 34, hier ein DBC-Keramiksubstrat 36, mehrere Leistungsbauelemente 38, hier Power-MOS-Transistoren 40 und eine Abdeckung 42 auf. (Die Abdeckung 42 ist hier auch als DBC-Keramiksubstrat 36 ausgeführt)
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Es ergibt sich folgende Funktionsweise: Die beim Betrieb der Power-MOS-Transistoren 40 entstehende Wärmeenergie wird über den Schaltungsträger 34 an den ersten Verbindungsbereich 16 und dann an das Adaptionselement 18 übertragen. Daran anschließend gelangt die Wärmeenergie vom Adaptionselement 18 über den zweiten Verbindungsbereich 20 zum Kühlkörper 12, der sowohl von Umgebungsluft als auch von einem den Kühlkanal 32 durchströmenden Kühlmedium gekühlt wird. Zur Betrachtung der Ausdehnungen bei Temperaturschwankungen ist zunächst festzuhalten, dass das Material der Adaptionsplatte 22 mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 so gewählt ist, dass die betragsmäßige Differenz zwischen einem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten α3 des Schaltungsträgers 34 und dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 kleiner ist, als die betragsmäßige Differenz zwischen dem dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten α3 und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten α2. Dies bedeutet, dass die Differenz in der Ausdehnung zwischen Schaltungsträger 34 und Adaptionselement 18 geringer ist als die zwischen Schaltungsträger 34 und Kühlkörper 12. Dabei muss nicht eine einzige Lotschicht die Spannungen zwischen dem Keramiksubstrat 36 und dem Kühlkörper 12 aufnehmen. Vielmehr ermöglichen es die beiden Lotschichten 24, dass zunächst Spannungen zwischen Kühlkörper 12 und Adaptionselement 18 und dann zwischen Adaptionselement 18 und Schaltung 10 abgebaut werden. Dies wirkt sich sowohl positiv auf die Schaltung 10 aus, zugleich aber auch auf die Lotschichten 24, deren Zerrüttung verringert wird. Dadurch wird der Einsatz einer Schaltung 10 unter extremen Bedingungen, zum Beispiel Anbau im Motorraum, möglich, beziehungsweise die Lebensdauer einer so eingebauten Schaltung 10 erhöht sich.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kühlungsaufbaus 1 mit einer daran angeordneten Schaltung 10 in einem Kunststoffgehäuse 44 aus dem Anschlusskontakte 46 herausgeführt sind. Die Adaptionsplatte 22 wird hier mittels Federelementen 48, die aus der Adaptionsplatte 22 in deren Fertigungsprozess erzeugt werden und gleichzeitig als Halteelemente 49 wirken, auf dem Kühlkörper 12 durch Aufschieben positioniert. Die Abstandseinstellung zwischen Adaptionsplatte 22 und Kühlkörper 12 wird mit stanz-/prägetechnisch erzeugten Durchsetzungen, die ebenfalls im Fertigungsprozess der Adaptionsplatte 22 hergestellt werden, realisiert.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Abstandseinstellung zwischen Kühlkörper 12 und Adaptionsplatte 22 mittels einer Fügetechnologie, hier durch die Einsteckclips 50, die in die Ausnehmungen 52 eingreifen, realisiert wird.
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Die Positionierung der Schaltung 10 auf der Adaptionsplatte 22 im Montageprozess kann über geeignete Geometrien der Adaptionsplatte 22 erfolgen, die in deren Fertigungsprozess hergestellt werden. Dies kann beispielsweise in Form einer oder mehrerer Schienen, Freistanzungen oder, wie in 4 gezeigt, Führungsblechen 54 erfolgen. Alternativ können in einem vorgelagerten Fertigungsprozess auch Führungsstifte eingepresst werden. Die Einstellung der Lotschichtdicke zwischen Schaltung 10 und Adaptionsplatte 22 kann beispielsweise durch stanztechnisch erzeugte Durchsetzungen realisiert werden.
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Der Kühlungsaufbau 1 eignet sich für Leistungselektronikmodule, die insbesondere Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln (zum Beispiel B6-Schaltungen oder H-Brücken aus mehreren Leistungstransistoren), um zum Beispiel Elektromotoren von Starter, Wasserpumpe, etc. anzusteuern, die sehr hohe Ströme tragen und/oder schalten müssen.
