DE102007050405B4 - Electrical power component, in particular power semiconductor module, with a cooling device and method for surface and heat-conducting bonding of a cooling device to an electrical power component - Google Patents

Electrical power component, in particular power semiconductor module, with a cooling device and method for surface and heat-conducting bonding of a cooling device to an electrical power component Download PDF

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Abstract

Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul (1),
– mit einem flächigen Substrat (4) als Träger,
– mit einer flächig und wärmeleitend an das Substrat angebundenen Kühlvorrichtung zur Entwärmung der Leistungskomponente (2, 2'), wobei die Kühlvorrichtung (2, 2') über zumindest eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte metallische Schicht (12) an das Substrat (4) angebunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') selbst mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet ist.Electrical power component, in particular power semiconductor module (1),
With a flat substrate (4) as a carrier,
- With a surface and heat-conducting connected to the substrate cooling device for cooling the power component (2, 2 '), wherein the cooling device (2, 2') via at least one generated by a cold gas spraying process metallic layer (12) to the substrate (4) is
characterized in that the cooling device (2, 2 ') itself is formed by means of the cold gas spraying process.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leistungskomponente, insbesondere auf ein Leistungshalbleiter-Modul, mit einer Kühlvorrichtung sowie auf ein Verfahren zur flächigen und wärmeleitenden Anbindung einer Kühlvorrichtung an die Komponente.The This invention relates to an electrical power component, in particular to a power semiconductor module, with a cooling device as well on a method for areal and heat-conducting Connection of a cooling device to the component.

Aus der EP 0 427 143 B1 ist ein Leistungshalbleiter-Modul bekannt. Es weist als Träger ein flächiges Substrat auf, das aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Auf der ersten Seite des Substrats ist eine metallische Schicht aufgebracht, die zur Erzeugung von Leiterbahnen strukturiert ist. Diese Strukturierung geschieht vorzugsweise über Ätzen. Weiterhin ist auf der ersten Seite eine Anzahl an Leistungshalbleitern befestigt und miteinander leitend verbunden. Auf seiner zweiten Seite ist das keramische Substrat mit einer in einem Direktverbindungsverfahren aufgebrachten Bodenmetallisierung versehen, damit ein Maßverzug aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Substrats und der metallischen strukturierten Schicht insbesondere beim Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls vermieden ist.From the EP 0 427 143 B1 is a power semiconductor module known. As a carrier, it has a planar substrate made of a ceramic material. On the first side of the substrate, a metallic layer is applied, which is structured to produce printed conductors. This structuring is preferably done by etching. Furthermore, a number of power semiconductors are attached and conductively connected to one another on the first side. On its second side, the ceramic substrate is provided with a bottom metallization applied in a direct connection method so that a dimensional distortion due to the different coefficients of expansion of the ceramic substrate and the metallic structured layer is avoided, in particular during operation of the power semiconductor module.

Leistungshalbleiter sind für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und hoher elektrischer Spannungen ausgelegt. Beim Betrieb eines Leistungshalbleiter-Moduls wird dieses durch Verlustwärme stark erhitzt. Dieser Effekt wurde noch dadurch verstärkt, dass im Zuge zunehmender Miniaturisierung der Leistungshalbleiter-Module die Leiterbahnendichte sukzessive erhöht wurde. Um ein ordnungsgemäßes Funktionieren eines Leistungshalbleiter-Moduls zu gewährleisten, ist daher in der Regel ein sogenanntes Entwärmungskonzept notwendig, das im Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls eine Überhit zung ausschließt. Ein derartiges Entwärmungskonzept umfasst sämtliche Maßnahmen, die zusammengefasst garantieren, dass eine Grenztemperatur eines elektrischen Schaltkreises nicht überschritten wird. Eine übliche Methode zur Entwärmung eines Leistungshalbleitermoduls besteht darin, eine Kühlvorrichtung, insbesondere in Form eines Luft- oder Fluidkühlers, mit dem Modul zu verbinden.Power semiconductor are for the control and switching of high electrical currents and high electrical voltages designed. When operating a power semiconductor module this is by loss of heat strongly heated. This effect was reinforced by the fact that in the course of increasing miniaturization of the power semiconductor modules the conductor density has been successively increased. To ensure proper functioning to ensure a power semiconductor module is therefore in the Usually a so-called cooling concept necessary that during operation of the power semiconductor module overheating tion excludes. Such a cooling concept includes all Activities, The combined guarantee that a limit temperature of a electrical circuit is not exceeded. A common method for the cooling of a Power semiconductor module is a cooling device, in particular in the form of an air or fluid cooler, to connect to the module.

Für die Herstellung einer flächigen und wärmeleitenden Verbindung wird die Kühlvorrichtung an dem Trägersubstrat des elektrischen Schaltkreises insbesondere durch Verschraubung befestigt. Der Spalt zwischen dem elektrischen Bauteil und der Kühlvorrichtung wird mittels einer Übergangsschicht aus einer Wärmeleitpaste aufgefüllt, um den Wärmeübergang vom elektrischen Bauteil zu der Kühlvorrichtung zu verbessern. Jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste vergleichsweise schlecht, so dass die Übergangsschicht die Wärmeabfuhr zur Kühlvorrichtung hin behindert.For the production a flat and heat-conducting Connection becomes the cooling device on the carrier substrate the electrical circuit in particular by screwing attached. The gap between the electrical component and the cooling device is made by means of a transition layer a thermal grease filled, to the heat transfer from the electrical component to the cooling device. However, the thermal conductivity is the thermal compound comparatively bad, so that the transition layer heat dissipation to the cooler obstructed.

Alternativ werden das elektrische Bauteil und die Kühlvorrichtung miteinander verlötet, sodass das Lot eine metallische Übergangsschicht bildet, deren Wärmeleitfähigkeit gegenüber der Wärmeleitfähigkeit einer aus Wärmeleitpaste gebildeten Übergangsschicht stark verbessert ist. Besteht jedoch eine oder bestehen beide der angrenzenden Schichten des Trägersubstrats und/oder der Kühlvorrichtung aus einem nicht oder schwer lötbaren Werkstoff, wie z. B. Aluminium, so lässt sich ein Lötvorgang nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht durchführen. Auf der anderen Seite handelt es sich speziell bei Aluminium um einen sehr gut verarbeitbaren und vor allem gut wärmeleitenden Werkstoff. Deshalb sind oftmals die Kühlvorrichtung und/oder die auf die Kühlvorrichtung weisende Seite des elektrischen Bauteils aus Aluminium gefertigt. In diesen Fällen wird aus Kostengründen oftmals auf ein Verlöten verzichtet und auf die erste Variante mit der Wärmeleitpaste zurückgegriffen.alternative Both the electrical component and the cooling device are soldered together, so that the solder is a metallic transition layer forms, whose thermal conductivity across from the thermal conductivity one of thermal grease formed transition layer is greatly improved. However, if there is one or both of them adjacent layers of the carrier substrate and / or the cooling device from a not or hard solderable Material, such as. As aluminum, so can a soldering process only with big Effort or at all do not perform. On the other hand, it is aluminum in particular a very good processable and above all good heat-conducting Material. Therefore, often the cooling device and / or the on the cooling device facing side of the electrical component made of aluminum. In these cases is for cost reasons often on a soldering dispensed with and resorted to the first variant with the thermal grease.

Eine elektrische Leistungskomponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 103 31 923 A1 bekannt.An electrical power component according to the preamble of claim 1 is made DE 103 31 923 A1 known.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kühlvorrichtung in verbesserter Weise flächig und wärmeleitend an eine elektrische Leistungskomponente anzubinden.task The invention therefore, the cooling device in improved Way flat and heat-conducting to connect to an electrical power component.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Hierzu ist die Kühlvorrichtung über zumindest eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte metallische Schicht an das Substrat angebunden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich mittels eines Kaltgasspritzverfahrens metallische Schichten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit erzeugen lassen. Die Grundlagen des Kaltgasspritzverfahrens sind in der EP 0 484 533 B1 beschrieben. Weitere Einzelheiten des Kaltgasspritzverfahrens sind dem Fachartikel von J. Vlcek „Einsatzmöglichkeiten von kaltgasgespritzten Schichten in der Luft- und Raumfahrtindustrie”, Galvanotechnik 3/2005, Seite 684 ff., zu entnehmen. Bei einem Kaltgasspritzverfahren werden in einen „kalten” Trägergasstrom mit einer Gastemperatur unter 800°C Spritzpartikel injiziert. Der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom wird in einer Düse entspannt. Dadurch wird der Trägergasstrom mit den Spritzpartikeln auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die über der Schallgeschwindigkeit liegt. Die derart beschleunigten Spritzpartikel treffen auf ein zu beschichtendes Bauteil. Im Gegensatz zu den bekannten thermischen Spritzverfahren, wie Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, werden die Spritzpartikel in dem „kalten” Trägergasstrahl nicht aufgeschmolzen. Beim Aufprall auf das zu beschichtende Bauteil sind mechanische Verklammerung, Kaltverschweißen und Reibschweißprozesse für den Schichtaufbau wirksam. Auf diese Weise gehen metallische Beschichtung und Bauteil in einem gleitenden Übergang ineinander über. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Spritzpartikel entsteht eine sehr dichte und porenarme metallische Schicht. Da weiterhin die thermische Energie, der die Spritzpartikel ausgesetzt sind, niedrig ist, kommt es an der Partikeloberfläche der Spritzpartikel nicht oder nur kaum zu einer Oxidschichtbildung. Somit lassen sich Oxideinschlüsse, wie sie von mittels thermischem Spritzen gebildeten Schichten bekannt sind, nahezu vollständig vermeiden, wodurch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit der auf das Bauteil aufgetragenen kaltgasgespritzten Schicht bewirkt wird.This object is achieved according to the invention by the feature combination of claim 1. For this purpose, the cooling device is connected to the substrate via at least one metallic layer produced by means of a cold gas spraying process. The invention is based on the finding that metallic layers having a high thermal conductivity can be produced by means of a cold gas spraying process. The basics of the cold gas spraying process are in the EP 0 484 533 B1 described. Further details of the cold gas spraying process can be found in the article by J. Vlcek "Applications of cold gas-sprayed coatings in the aerospace industry", Galvanotechnik 3/2005, page 684 et seq. In a cold gas spraying process, spray particles are injected into a "cold" carrier gas stream having a gas temperature below 800 ° C. The laden with the spray particles carrier gas stream is expanded in a nozzle. As a result, the carrier gas flow is accelerated with the spray particles to a speed which is above the speed of sound. The thus accelerated spray particles strike a component to be coated. In contrast to the known thermal spraying methods, such as flame spraying, arc spraying, plasma spraying or high-speed flame spraying, the spraying particles are not melted in the "cold" carrier gas jet. When impacting on the component to be coated are mechanical clamping, cold welding and friction welding processes effective for the layer structure. In this way metallic coating and component merge into one another in a sliding transition. Due to the high speed of the spray particles, a very dense and low-pore metallic layer is formed. Furthermore, since the thermal energy to which the spray particles are exposed is low, the particle surface of the spray particles does not or only rarely forms an oxide layer. Thus, oxide inclusions, as they are known from layers formed by thermal spraying, can be almost completely avoided, whereby a very high thermal conductivity of the cold gas-sprayed layer applied to the component is effected.

Dabei ist die Kühlvorrichtung selbst mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet. Mit anderen Worten erfolgt mittels des Kaltgasspritzverfahrens ein Materialauftrag auf das Substrat, der die Struktur der Kühlvorrichtung vorgibt. Dieser Materialauftrag kann die Struktur von Kühlrippen oder Vorsprünge nach Art von Mäandern aufweisen.there is the cooling device itself formed by means of the cold gas spraying process. In other words takes place by means of the cold gas spraying a material application on the substrate, which dictates the structure of the cooling device. This Material application can after the structure of cooling fins or protrusions Kind of meanders exhibit.

Durch eine Anbindung der Kühlvorrichtung an das Substrat mittels des Kaltgasspritzverfahrens ist daher erkanntermaßen ein besonders effizienter Wärmeübergang realisierbar.By a connection of the cooling device the substrate by means of the cold gas spraying method is therefore recognized to be particularly efficient heat transfer realizable.

Zweckmäßig lässt sich die als Kühlvorrichtung aufgetragene metallische Schicht zusätzlich konturieren, d. h., mit einer unregelmäßigen und zerklüfteten Oberfläche versehen. Auf diese Weise lässt sich die Oberfläche der Kühlvorrichtung vergrößern, so dass ein besonders guter Wärmeübergang durch Konvektion erreichbar ist.Appropriately, can be as a cooling device additionally contour the applied metallic layer, d. H., with an irregular and fissured surface Mistake. That way you can the surface the cooling device enlarge, so that a particularly good heat transfer can be reached by convection.

Auf diese Weise lassen sich bestehende Leistungshalbleiter-Module effektiv kühlen. Weiterhin gestattet die Anbindung der Kühlvorrichtung mittels einer kaltgasgespritzten Schicht an das Leistungshalbleiter-Modul auch die Entwicklung von Leistungshalbleiter-Modulen mit einem höheren Integrationsgrad, d. h., mit einer erhöhten Anzahl von Leiterbahnen je Flächeneinheit, da über die verbesserte Anbindung der Kühlvorrichtung nunmehr eine erhöhte Wärmemenge abführbar ist. Die beschriebene Anbindung einer Kühlvorrichtung ist für jede elektrische Leistungskomponente realisierbar. Unter einer elektrischen Leistungskomponente ist hier jeder elektrische Schaltkreis zu verstehen, der eine große Wärmemenge produziert, insbesondere ein Mikrocontroller oder dergleichen.On This way, existing power semiconductor modules can be effectively cooled. Furthermore allowed the connection of the cooling device by means of a cold gas-sprayed layer to the power semiconductor module also the development of power semiconductor modules with a higher degree of integration, d. h., with an elevated Number of tracks per unit area, over there the improved connection of the cooling device now an increased amount of heat dischargeable is. The described connection of a cooling device is for each electrical power component realizable. Below an electrical power component is here every electrical circuit to understand that has a large amount of heat produced, in particular a microcontroller or the like.

Die Begriffe „metallisch” und „Metall” werden dahingehend verstanden, dass die metallische Schicht sowohl aus einem elementaren Metall, als auch aus einer Metalllegierung bestehen kann.The The terms "metallic" and "metal" are used to this effect understood that the metallic layer consists of both an elementary Metal, as well as may consist of a metal alloy.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist als Kühlvorrichtung ein Fluidkühler vorgesehen. Ein Fluid als Kühlmedium weist gegenüber Luft oder einem Gas eine bedeutend höhere Wärmekapazität auf. Mittels eines Fluidkühlers ist daher eine bedeutend größere Wärmemenge vom Leistungshalbleiter-Modul abführbar, als mittels eines Luftkühlers. Der Fluidkühler kann vorteilhaft gebildet werden, indem die Kühlrippen eines Rippenkühlers oder die Vorsprünge eines Kühlers mit mäanderförmigen Vorsprüngen zur Bildung von Strömungskanälen verschlossen werden. Der Rippenkühler oder der Kühler mit den mäanderförmigen Vorsprüngen wird zweckmäßig wie bereits weiter oben beschrieben erzeugt. Die Strömungskanäle werden gebildet, in dem benachbarte Rippen oder Vorsprünge an ihren Freiende flächig miteinander verbunden werden. Dies geschieht im einfachsten Fall durch die Befestigung eines dünnen Blechs an den Freienden der Rippen oder an den Freienden der Vorsprünge. Die Befestigung des Blechs ist hierbei beliebig. So kann das Blech durch Verschrauben oder durch Verlöten an den Freienden der Rippen oder an den Freienden der Vorsprünge befestigt sein. Auch die Freienden der Rippen oder die Freienden der Vorsprünge können mit einer lötbaren metallischen Schicht mittels Kaltgasspritzen versehen werden, um ein schlecht oder nicht lötbares Material wie Aluminium löten zu können. Dies kann fertigungstechnisch insbesondere bei einem filigranen Kühler mit dünnen Kühlrippen oder mäanderförmigen Vorsprüngen gegenüber einem Verschrauben des Blechs Vorzüge haben.In an appropriate training is as a cooler a fluid cooler intended. A fluid as a cooling medium points opposite Air or a gas has a significantly higher heat capacity. By means of a fluid cooler is therefore a significantly larger amount of heat deductible from the power semiconductor module, as by means of an air cooler. Of the fluid cooler can be advantageously formed by the cooling fins of a fin cooler or the projections of a cooler with meandering projections for formation closed by flow channels become. The rib cooler or the cooler with the meandering projections as appropriate described above. The flow channels are formed in the adjacent ribs or protrusions at their free area flat with each other get connected. This is done in the simplest case by the attachment a thin sheet at the free ends of the ribs or at the free ends of the protrusions. The Attachment of the sheet is hereby arbitrary. So the sheet can be screwed or by soldering attached to the free ends of the ribs or to the free ends of the protrusions be. The free ends of the ribs or the free ends of the projections can with a solderable one metallic layer by means of cold gas spraying to be a bad or not solderable material How to solder aluminum to be able to. This can manufacturing technology, especially in a filigree cooler with thin ones cooling fins or meandering projections over one Screwing the sheet metal benefits to have.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung an eine elektrische Leistungskomponente, insbesondere an ein Leistungshalbleiter-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Hierbei sind die Ausgestaltungen des Leistungshalbleiter-Moduls mit der Kühlvorrichtung und ihre Vorzüge den auf die Vorrichtung gerichteten vorstehenden Ausführungen zu entnehmen.The Task is still solved by a method for planar and heat-conducting Connecting a cooling device to an electrical power component, in particular to a power semiconductor module with the features of claim 7. Here are the embodiments of the power semiconductor module with the cooling device and its merits on refer to the device directed above.

In einer zweckmäßigen Variante wird die Kühlvorrichtung mittels einer auf das Substrat reversibel aufbrachten Maske gebildet. Eine derartige Maske ist mit Ausnehmungen versehen, die das negative Abbild der zu bildenden Kühlvorrichtung darstellen. Für die Bildung der Kühlvorrichtung wird die Maske zunächst auf das Substrat aufgelegt oder am Substrat reversibel befestigt. Anschließend werden mittels einer Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere mit einer Kaltgasspritzpistole, die Ausnehmungen der Maske mit einer metallischen Schicht aufgefüllt. Somit lässt sich die Kühlvorrichtung in zeitsparender und reproduzierbarer Weise den Anforderungen einer Serienfertigung gemäß erzeugen.In a suitable variant becomes the cooling device formed by means of a reversibly applied to the substrate mask. Such a mask is provided with recesses which are the negative Image of the cooling device to be formed represent. For the formation of the cooling device the mask is first placed on the substrate or reversibly attached to the substrate. Subsequently be by means of a cold gas spraying device, in particular with a Kaltgasspritzpistole, the recesses of the mask with a filled with metallic layer. Consequently let yourself the cooling device in a time-saving and reproducible way the requirements of a Generate series production according to.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Kühlvorrichtung gebildet, indem eine Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere eine Kaltgasspritzpistole, in Bahnen über das Substrat bewegt wird. Falls eine Maske mit Ausnehmungen nach der bereits beschriebenen Weise verwendet wird, lässt sich eine Beschichtung der Maske auf diese Weise weitgehend vermeiden, so dass die Maske auch über einen längeren Zeitraum verwendbar ist. In einer anderen Variante lässt sich die Kühlvorrichtung auch ohne eine aufgelegte Maske erzeugen. Hierzu wird die Kaltgasspritzvorrichtung über bestimmte Gebiete des Substrats öfter bewegt, als über andere Gebiete, so dass im Lauf des Beschichtungsvorganges ein unregelmäßiger Materialauftrag nach Art von Rippen oder meanderförmigen Vorsprüngen gebildet ist. Wird hingegen die Kaltgasspritzvorrichtung in regelmäßigen Bahnen über das Substrat bewegt, so lässt sich ein gleichmäßiger Schichtaufbau für die Bildung einer lötbaren metallischen Schicht oder für eine Basis eines Kühlers erzeugen.In an expedient development, the cooling device is formed by a cold gas spraying device, in particular a cold gas spray gun, is moved in tracks over the substrate. If a mask with recesses is used in the manner already described, a coating of the mask in this way can be largely avoided, so that the mask can be used over a longer period of time. In another variant, the cooling device can also be produced without an applied mask. For this purpose, the cold gas spraying device is moved over certain areas of the substrate more often than over other areas, so that in the course of the coating process, an irregular material application in the manner of ribs or meandering projections is formed. If, on the other hand, the cold gas spraying device is moved over the substrate in regular paths, a uniform layer structure can be produced for the formation of a solderable metallic layer or for a base of a cooler.

Zweckmäßig werden zur Erzeugung der metallischen Schicht einer oder mehrere Spritzparameter zur Beeinflussung der Schichteigenschaften vorgegeben.Be useful to produce the metallic layer one or more spray parameters predetermined for influencing the layer properties.

So wird als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahrens zugrundeliegenden Trägergases, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Temperatur, herangezogen.So is a characteristic of the cold gas spraying process as a spraying parameter underlying carrier gas, in particular its chemical composition, its mass flow or its temperature, used.

Weiterhin wird als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahren zugrundeliegenden metallischen Pulvers, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Partikelgrößenverteilung, herangezogen. Zweckmäßig wird weiterhin als Spritzparameter eine Düsengeometrie einer dem Kaltgasspritzverfahrens zugrundeliegenden Kaltgasspritzpistole herangezogen.Farther is a spray parameter a property of the cold gas spraying process underlying metallic powder, in particular its chemical Composition, its mass flow or its particle size distribution, used. It is useful furthermore as a spray parameter a nozzle geometry of the cold gas spraying process underlying cold gas spray gun used.

Weiterhin wird zweckmäßig ein Spritzparameter eine Eigenschaft des Substrats, insbesondere dessen Werkstoff oder dessen Temperatur während des Beschichtens herangezogen.Farther will be useful Spray parameters a property of the substrate, in particular its Material or its temperature used during the coating.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur schematisch ein Halbleitermodul mit einer Kühlvorrichtung.following is an embodiment of Invention explained in more detail with reference to a drawing. In it shows the only one Figure schematically a semiconductor module with a cooling device.

Die Figur zeigt ein Leistungshalbleiter-Modul 1 mit einer Kühlvorrichtung 2 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht. Das Leistungshalbleiter-Modul 1 umfasst ein sogenanntes DCB-Substrat 3. Das DCB-Substrat 3 weist ein flächiges Substrat 4 als Träger auf, das aus einem isolierenden keramischen Werkstoff, wie Aluminiumoxid, gefertigt ist. Auf der ersten Seite des Substrats 4 ist eine metallische und zur Erzeugung von Leiterbahnen strukturierte Schicht 5 aufgebracht. Die Schicht 5 ist aus Kupfer gefertigt. Die Leiterbahnen werden in einem Ätzverfahren erzeugt. Auf der der ersten Seite des Substrats 4 abgewandten Seite ist eine durchgängige metallische Stabilisierungsschicht 6 aufgebracht.The figure shows a power semiconductor module 1 with a cooling device 2 schematically in a sectional side view. The power semiconductor module 1 includes a so-called DCB substrate 3 , The DCB substrate 3 has a flat substrate 4 as a carrier, which is made of an insulating ceramic material, such as aluminum oxide. On the first side of the substrate 4 is a metallic and structured for the production of printed conductors layer 5 applied. The layer 5 is made of copper. The printed conductors are produced in an etching process. On the first side of the substrate 4 opposite side is a continuous metallic stabilization layer 6 applied.

Auf der strukturierten metallischen Schicht 5 sind mehrere Leistungshalbleiter 7 mittels jeweils eines Verbindungslotes 8 durch Löten befestigt. In der geschnittenen Seitenan sicht sind drei dieser Leistungshalbleiter 7 zu sehen. Die Leistungshalbleiter 7 sind untereinander und mit den Leiterbahnen der strukturierten metallischen Schicht 5 mittels Bonddrähten 9 miteinander verbunden.On the textured metallic layer 5 are several power semiconductors 7 by means of a connecting solder 8th fixed by soldering. In the cut Seitenan view are three of these power semiconductors 7 to see. The power semiconductors 7 are with each other and with the tracks of the structured metallic layer 5 by means of bonding wires 9 connected with each other.

An das Leistungshalbleiter-Modul 1 schließt sich in vertikaler Richtung 15 eine zweite Kühlvorrichtung 2' an. Von dieser Kühlvorrichtung 2' ist lediglich ein Rippenkühler 10' dargestellt. Dieser Rippenkühler 10' mit Kühlrippen 14' und zwischenliegenden Ausnehmungen 16' wird gebildet, in dem mittels Kaltgasspritzens ein Materialauftrag auf der metallisch durchgängigen Schicht 6 des Substrats 4 erfolgt. Hierzu wird eine Kaltgasspritzpistole zunächst flächig über die gesamte metallische Schicht 12 zur Bildung einer flächigen Kühlerbasis bewegt. Anschließend werden die Kühlrippen 14' erzeugt, in dem die Kaltgasspritzpistole bahnartig verfahren wird. Die Kühlrippen 14' heben sich raupenartig in vertikaler Richtung 15 von der Kühlerbasis ab. Durch die Befestigung eines Bodenbleches 17 an den Freienden der Kühlrippen 14' des Rippenkühlers 10' sind aus der Bildebene heraus verlaufende, einander parallele Strömungskanäle 16' gebildet. Von der Bildebene auf den Betrachter zu bzw. vom Betrachter weg sind an den Stirnseiten des Rippenkühlers 10' ein nicht dargestellter Vorlauf und ein nicht dargestellter Rücklauf zur Beaufschlagung des Rippenkühlers 10' mit einem Fluid vorgesehen. Hierzu sind der Vorlauf und der Rücklauf kastenförmig und sich jeweils über die gesamte Stirnseite erstreckend ausgebildet, so dass gleichzeitig vom Vorlauf und vom Rücklauf sämtliche Strömungskanäle 16' erfassbar sind.To the power semiconductor module 1 closes in the vertical direction 15 a second cooling device 2 ' at. From this cooler 2 ' is just a ribbed cooler 10 ' shown. This rib cooler 10 ' with cooling fins 14 ' and intermediate recesses 16 ' is formed in which by means of cold gas spraying a material application on the metallic continuous layer 6 of the substrate 4 he follows. For this purpose, a cold gas spray gun is initially flat over the entire metallic layer 12 moved to form a flat radiator base. Subsequently, the cooling fins 14 ' produced, in which the cold gas spray gun is moved like a web. The cooling fins 14 ' lift up like a caterpillar in the vertical direction 15 from the radiator base. By attaching a floor plate 17 at the free ends of the cooling fins 14 ' of the rib cooler 10 ' are flow channels running out of the picture plane and running parallel to one another 16 ' educated. From the image plane to the viewer to or away from the viewer are on the front sides of the fin cooler 10 ' an unillustrated flow and an unillustrated return for acting on the fin cooler 10 ' provided with a fluid. For this purpose, the flow and the return are box-shaped and each extending over the entire end face formed, so that at the same time from the flow and return all flow channels 16 ' are detectable.

Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung 2 noch eine in der Figur nicht dargestellte Fluidpumpe, um das Fluid durch die Strömungskanäle 16 zu pumpen.Furthermore, the cooling device comprises 2 nor a fluid pump, not shown in the figure, to the fluid through the flow channels 16 to pump.

Im Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls 1 wird die von diesem produzierte wärme mittels Wärmeleitung von der Stabilisierungsschicht 6 aus über das Lot 13 und die metallische Schicht 12 in vertikaler Richtung 15 zum Rippenkühler 10 hin transportiert. Der Rippenkühler 10 wird somit über seine mit der metallischen Schicht 12 beschichtete Kontaktfläche 11 mit Wärme beaufschlagt, die mittels Wärmeleitung auch die einzelnen Kühlrippen 14 erwärmt. Fließt nun ein Fluid durch die Strömungskanäle 16 der Kühlvorrichtung 2, so findet ein Wärmeübergang zwischen den Oberflächen der Kühlrippen 14 und dem Fluid statt. Eine passende Dimensionierung der Kühlvorrichtung 2 vorausgesetzt, lässt sich soviel Wärme vom Leistungshalbleiter-Modul 1 abführen, dass eine Beschädigung des Leistungshalbleiter-Moduls 1 sicher vermieden ist.During operation of the power semiconductor module 1 the heat produced by this is by means of heat conduction from the stabilizing layer 6 out over the lot 13 and the metallic layer 12 in the vertical direction 15 to the rib cooler 10 transported away. The rib cooler 10 is thus over its with the metallic layer 12 coated contact surface 11 subjected to heat, which by means of heat conduction, the individual cooling fins 14 heated. Now a fluid flows through the flow channels 16 the cooling device 2 , so finds a heat transfer between the surfaces of the cooling fins 14 and the fluid instead. A suitable dimensioning of the Kühlvor direction 2 assuming so much heat from the power semiconductor module 1 dissipate that damage to the power semiconductor module 1 is safely avoided.

Der Rippenkühler 10' ist aus Kupfer gefertigt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die direkte Anbindung des Rippenkühlers 10' an die durchgängige metallische Schicht 6 des Substrats 4 ist ein sehr guter Wärmeübergang und damit eine sehr gute Abführung der vom Leistungshalbleiter-Modul 1 produzierten Wärme erreicht.The rib cooler 10 ' is made of copper, which has good thermal conductivity. Due to the direct connection of the rib cooler 10 ' to the continuous metallic layer 6 of the substrate 4 is a very good heat transfer and thus a very good dissipation of the power semiconductor module 1 achieved produced heat.

Alternativ kann anstelle eines Materialauftrags zur Erzeugung des Rippenkühlers 10' auch ein Materialauftrag nach Art von mäanderförmigen Vorsprüngen erfolgen kann.Alternatively, instead of applying a material to produce the fin cooler 10 ' also a material order on the type of meandering projections can be done.

Claims (17)

Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul (1), – mit einem flächigen Substrat (4) als Träger, – mit einer flächig und wärmeleitend an das Substrat angebundenen Kühlvorrichtung zur Entwärmung der Leistungskomponente (2, 2'), wobei die Kühlvorrichtung (2, 2') über zumindest eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte metallische Schicht (12) an das Substrat (4) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') selbst mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet ist.Electrical power component, in particular power semiconductor module ( 1 ), - with a flat substrate ( 4 ) as a carrier, - with a surface and heat-conducting connected to the substrate cooling device for cooling the power component ( 2 . 2 ' ), wherein the cooling device ( 2 . 2 ' ) via at least one metallic layer produced by means of a cold gas spraying process ( 12 ) to the substrate ( 4 ), characterized in that the cooling device ( 2 . 2 ' ) itself is formed by means of the cold gas spraying process. Komponente (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf das Substrat (4) aufgetragen ist.Component ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the metallic layer ( 12 ) flat on the substrate ( 4 ) is applied. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') einen Kühlkörper (10) aus Aluminium, aus Kupfer, oder einem anderen thermisch leitfähigen Material umfasst.Component ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cooling device ( 2 . 2 ' ) a heat sink ( 10 ) of aluminum, copper, or other thermally conductive material. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen metallischen Rippenkühler (10) als Kühlvorrichtung (2, 2').Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized by a metallic rib cooler ( 10 ) as a cooling device ( 2 . 2 ' ). Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) eine konturierte Oberfläche aufweist.Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the metallic layer ( 12 ) has a contoured surface. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Fluidkühler als Kühlvorrichtung (2, 2').Component ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized by a fluid cooler as cooling device ( 2 . 2 ' ). Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung (2, 2') an ein als Träger wirkendes Substrat (4) einer elektrischen Leistungskomponente, insbesondere eines Leistungshalbleiter-Moduls (1), wobei die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels einer mittels eines Kaltspritzverfahrens erzeugten metallischen Schicht (12) an das Substrat (4) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') selbst mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet wird.Method for laminar and heat-conductive bonding of a cooling device ( 2 . 2 ' ) to a substrate acting as a carrier ( 4 ) of an electrical power component, in particular of a power semiconductor module ( 1 ), wherein the cooling device ( 2 . 2 ' ) by means of a metallic layer produced by means of a cold spraying process ( 12 ) to the substrate ( 4 ), characterized in that the cooling device ( 2 . 2 ' ) itself by means of the cold gas spraying process. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf das Substrat (4) aufgetragen wird.Method according to claim 7, characterized in that the metallic layer ( 12 ) flat on the substrate ( 4 ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der metallischen Schicht (12) konturiert wird.Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the surface of the metallic layer ( 12 ) is contoured. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels einer auf das Substrat (4) reversibel aufgebrachten Maske gebildet wird.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the cooling device ( 2 . 2 ' ) by means of a on the substrate ( 4 ) reversibly applied mask is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') gebildet wird, indem eine Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere eine Kaltgasspritzpistole, in Bahnen über die zweite Seite des Substrats (4) bewegt wird.Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that the cooling device ( 2 . 2 ' ) by forming a cold gas spraying device, in particular a cold gas spray gun, in paths over the second side of the substrate ( 4 ) is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der metallischen Schicht (12) einer oder mehrere Spritzparameter vorgegeben werden zur Beeinflussung der Schichteigenschaften.Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that for the production of the metallic layer ( 12 ) one or more spray parameters are specified for influencing the layer properties. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahren zugrunde liegenden Trägergases, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Temperatur, herangezogen wird.Method according to claim 12, characterized in that that as a spray parameter a property of the cold gas spraying process underlying carrier gas, in particular its chemical composition, its mass flow or its temperature is used. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltspritzverfahren zugrunde liegenden metallischen Pulvers, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom, oder dessen Partikelgrößenverteilung, herangezogen wird.Method according to claim 12 or 13, characterized that as a spraying parameter a property of the cold spraying process underlying metallic powder, in particular its chemical Composition, its mass flow, or its particle size distribution, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Düsengeometrie einer dem Kaltgasspritzverfahren zugrunde liegenden Kaltgasspritzpistole herangezogen wird.Method according to one of claims 12 to 14, characterized that as a spray parameter a nozzle geometry a Kaltgasspritzpistole underlying the cold gas spraying process is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft des Substrats, insbesondere dessen Werkstoff oder dessen Temperatur während des Beschichtens, herangezogen wird.Method according to one of claims 12 to 15, characterized that as a spray parameter, a property of the substrate, in particular its Material or its temperature during coating, used becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzparameter so gewählt wird, dass eine metallische Schicht mit einer konturierten Oberfläche erzeugt wird.Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that the spray parameter is selected so that a metallic layer is produced with a contoured surface.
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