DE102008005747A1 - Leistungselektronikmodul - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Leistungselektronikmodul mit einem eine Vielzahl von Kühlkörperplatten umfassenden Kühlkörper (KK), mit jeweils zuminterseite und/oder der Oberseite des Kühlkörpers (KK), mit jeweils zumindest einem elektronischen Bauelement (BE) auf der oder den Schaltungsträgerschichten, wobei die Kühlkörperplatten untereinander, der Kühlkörper (KK) mit der oder den Schaltungsträgerschichten und eine Schaltungsträgerschicht mit einem Bauelement, basierend auf einem NTV-Verfahren, verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul.
  • Elektronikkomponenten werden zunehmend im Automobilbau eingesetzt, um den Steuerungskomfort zu erhöhen. Die in diesen Komponenten anfallenden Wärme-Verluste werden über verschiedene Hilfsmittel zur Wärmeableitung an den Fahrzeugkühlkreislauf bzw. an die Umgebung abgegeben. Für die Kühlung von Leistungselektronik werden dabei mit Elektronikmodulen verschraubte Kühlkörper wie auch direkt auf den Kühlkörpern aufgebaute Elektronikschaltungen, welche durch die geringere Anzahl von Wärmeübergängen eine bessere Performance aufweisen, eingesetzt. Besonders vorteilhaft sind dabei Kühlkörper aus Kupfer, bei welchen bereits eine isolierende Keramik metallurgisch mit der Kühlstruktur verbunden ist, auf welcher wiederum die Elektronikbauteile oder die elektronischen Bauelemente mit einem Löt- oder Sinterverfahren aufgebracht und durch Kontakte miteinander verbunden werden.
  • Der bekannte Stand der Technik weist den Nachteil auf, dass die Oberfläche des Kühlkörpers nicht optimal für den Wärmeeintrag ausgenutzt wird. Dies fällt insbesondere bei den Kühlkörpern mit integrierter Keramik ins Gewicht, welche aus Gründen der thermomechanischen Festigkeit bereits auf der Unterseite mit einer Keramik ausgestattet sind: Diese Keramik wird bislang nicht für die Verschaltung von Leistungselektronik genutzt, auch weil bei bisherigen Kühleinrichtungen die Unterseite für die Zuführung des Kühlmediums vorgesehen ist. Der bekannte Stand der Technik (Durchlauflötverfahren für aufgelegte Elektronikkomponenten) lässt außerdem nur die Assemblierung einer Seite zu, da beim Wiederaufschmelzen für eine eventuelle Rückseitenbestückung die Qualität der Verbindung auf der Vorderseite beeinträchtigt werden würde.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Leistungselektronikmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Ein bevorzugtes Leistungselektronikmodul weist einen eine Vielzahl von Kühlkörperplatten umfassenden Kühlkörper auf. Auf der Unterseite und/oder der Oberseite des Kühlkörpers ist jeweils zumindest eine Schaltungsträgerschicht vorgesehen. Auf der oder den Schaltungsträgerschichten ist jeweils zumindest ein elektronisches Bauelement angeordnet. Die Kühlkörperplatten sind untereinander basierend auf einem an sich bekannten NTV-Verfahren (Niedertemperaturverbindungstechnik) verbunden. Der Kühlkörper ist mit der oder den Schaltungsträgerschichten basierend auf einem an sich bekannten NTV-Verfahren (Niedertemperaturverbindungstechnik) verbunden. Eine oder die Schaltungsträgerschichten sind jeweils zumindest mit einem oder mehreren Bauelementen basierend auf einem an sich bekannten NTV-Verfahren (Niedertemperaturverbindungstechnik) verbunden.
  • Ein derartiges Leistungselektronikmodul ist mechanisch und thermisch stabil, ermöglicht einen guten Wärmeübertrag von den elektronischen Bauelementen auf den Kühlkörper und ist ökonomisch herstellbar.
  • Vorzugsweise umfasst eine oder die Schaltungsträgerschichten, insbesondere an der Oberseite und/oder an der Unterseite des Kühlkörpers, jeweils zumindest eine Keramikschicht und eine Leiterbahn, die basierend auf einem DCB-Verfahren miteinander verbunden sind. Dadurch kann die Stabilität des Leistungselektronikmoduls und die Effizienz der Kühlung noch erhöht werden.
  • Besonders ökonomisch herstellbar ist das Leistungselektronikmodul dann, wenn die Kühlkörperplatten aus Eisenblech bestehen.
  • Ein ökonomisches und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikmoduls, insbesondere nach einer der erläuterten Varianten, sieht vor, dass innerhalb desselben NTV-Fertigungsschrittes Kühlkörperplatten zu einem Kühlkörper verbunden werden, zumindest eine Schaltungsträgerschicht mit einer äußeren Kühlkörperplatte verbunden wird, und zumindest ein elektronisches Bauelement mit der Schaltungsträgerschicht verbunden wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgende Figur näher erläutert:
  • 1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Leistungselektronikmoduls während des Fügeprozesses.
  • 1 zeigt ein Leistungselektronikmodul mit einem Kühlkörper KK, auf dessen Unterseite und Oberseite jeweils zumindest ein Schaltungsträger ST, umfassend eine Keramikschicht und eine Leiterbahn, angeordnet ist. Auf den Schaltungsträgern ST sind jeweils mehrere elektronische Bauelemente BE angeordnet. Zudem sind die während der Fertigung des Leistungselektronikmoduls zum Tragen und Halten der elektronischen Bauelemente BE vorgesehenen Matrizen M dargestellt.
  • Die Verbindung zwischen einer Vielzahl von Eisenblechen, die den Kühlkörper KK bilden, wird durch ein an sich bekanntes NTV-Verfahren bewirkt. Auch die Verbindung des Kühlkörpers, insbesondere der äußeren Eisenbleche des Kühlkörpers, mit den Schaltungsträgern ST wird durch ein an sich bekanntes NTV-Verfahren bewirkt. Ebenso wird die Verbindung der Schal tungsträger ST mit elektronischen Bauelementen BE (Assemblierung oder Bestückung (untere Verbindung)) durch ein an sich bekanntes NTV-Verfahren bewirkt. Besonders vorteilhaft werden diese drei genannten NTV-Verbindungen im Rahmen desselben NTV-Prozesses oder NTV-Schrittes hergestellt. Im selben NTV-Prozesses bzw. NTV-Schritt oder in einem nachfolgenden Schritt können ebenfalls nach dem NTV-Prinzip die oberen Verbindungen zwischen den Bauelementen und/oder die oberen Verbindungen OV zwischen den Bauelementen und dem Schaltungsträger hergestellt werden. Alternativ dazu ist es möglich, diese Verbindungen mit einem klassischen Verfahren (Draht- bzw. Dickdrahtbonden) herzustellen.
  • Die Schaltungsträger umfassen jeweils zumindest eine Keramikschicht und zumindest eine Leiterbahn, die vorab mittels eines an sich bekannten DCB-Verfahrens miteinander verbunden werden.
  • Bei der an sich bekannten Niedertemperaturverbindungstechnik (NTV) wird die Fügeebene der miteinander zu verbindenden Körper einem definierten Druck bei einer definierten Temperatur ausgesetzt und mittels eines dazwischen aufgetragenen Materials gesintert. Mit diesem Verfahrensprinzip ist die gleichzeitige Fügung einer Vielzahl übereinanderliegender Ebenen möglich.
  • Um die genannten Bestandteile des Leistungselektronikmoduls miteinander zu verbinden, insbesondere um die Ober- sowie Unterseite des Kühlkörpers samt Schaltungsträgern gleichzeitig zu bestücken, werden zu verbindende Bestandteile, insbesondere die elektronischen Bauteile, in als Druckplatten ausgestaltete Matrizen aufgenommen. In den Matrizen sind Kanäle vorgesehen, die die Ansaugung der Bauteile in den Matrizen und dadurch die Fixierung der Bauteile in ihrer Position ermöglichen. Die Position der Bauteile innerhalb der Matrizen ist auf das Layout des Schaltungsträgers abgestimmt. Durch die Fixierung der Bauteile innerhalb der Matrizen ist gewährleistet, dass die bestückten Matrizen gleichzeitig gegenüber der Ober- bzw. Unter seite des Kühlkörpers positioniert, der Druck auf den Fügeflächen (z. B. mittels einer von außen wirkenden Presse) aufgebracht und die durch die Matrizen gehaltenen Bauteile gleichzeitig mit dem vorzugsweise als Schaltungsträger strukturierten Kühlkörper verbunden werden können. Durch die Fixierung der Bauteile mittels ansaugender Matrizen kann ein Kühlkörper auch von unten bestückt werden. Die bei bekannten Verfahren zwangsläufige Assemblierung von oben ist nicht mehr erforderlich. Durch die Fixierung der Bauteile mittels ansaugender Matrizen kann ein Kühlkörper auch in vertikaler Ausrichtung bestückt werden. Die Oberseite ist in diesem Fall die Vorderseite und die Unterseite die Rückseite.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die Assemblierung (untere Verbindung der Bauelemente mit dem Schaltungsträger des Kühlkörpers) und die oberen Verbindungen OV zwischen den Bauelementen und die oberen Verbindungen OV zwischen den Bauelementen und dem Schaltungsträger innerhalb desselben oder derselben Fertigungsschritte herzustellen. Dazu sind die Matrizen so ausgeführt, dass die Verbindungselemente als auch das zu sinternde Material vor den Bauteilen in die entsprechend angepassten Matrizen eingelegt werden. Die Anpassung der Matrizen berücksichtigt dabei die entstehenden Höhenunterschiede mit federnden Elementen, welche die Erzeugung eines gleichmäßigen mechanischen Drucks über allen zu sinternden Fügestellen gewährleisten.
  • Die Eisenbleche des Kühlkörpers, die Schaltungsträger und die Matrizen sind während des NTV-Prozesses mittels eines oder mehrerer Justierstifte JS geeignet gegeneinander justiert (z. B. mittels alle Ebenen durchlaufender Stifte).
  • Durch die Verwendung des NTV-Verfahrens wird der Einsatz von kostengünstigen Eisenblechen anstelle von Kupferblechen erst ermöglicht. Alternativ zur Verwendung von Eisenwerkstoffblechen ist auch der Einsatz von Alu miniumsiliziumkarbidblechen (AlSiC) und Aluminiumgraphitblechen (AlC) möglich, welche sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszeichnen und dadurch eine hohe Zyklenfestigkeit der Leistungselektronik bewirken.
  • Der für den Fügeprozess notwendige Wärmeeintrag in das Werkstück kann sowohl durch Aufheizen des gesamten Fertigungsraumes als auch durch beheizte Matrizen erfolgen. Im Falle ausreichend wärmeleitender Kühlkörper und/oder Schaltungsträger können auch diese zum Wärmeeintrag benutzt werden. Im Falle eines Kühlkörpers mit einer Struktur für die Wärmeübergabe an ein Fluid kann dieser beispielsweise mit einem durchströmenden Fluid (vorzugsweise getrocknetes innertes Gas) aufgeheizt werden. Bei Leistungselektronikmodulen mit einem durchgängigen von außen kontaktierbaren metallischen Kern (z. B. die den Kühlkörper bildenden Kühlbleche) ist ebenfalls die Ausnutzung der elektrischen Verlusteigenschaften für die Aufheizung möglich. Dieses Verfahren bietet sich insbesondere an, wenn zur Steigerung der Prozesszuverlässigkeit der Fügeprozess im Vakuum stattfinden soll.
  • Durch die Erfindung wird das für die Kühlung zur Verfügung stehende Volumen und Material um den Faktor Zwei besser ausgenutzt als bei bekannten Techniken. In Verbindung mit dem vorgeschlagenen Fertigungsverfahren ergeben sich überdies ein gegenüber herkömmlichen Verfahren stark verkürzter Fertigungsablauf, geringere Fertigungszeiten und geringere Handhabungskosten. Durch die Verwendung eines für unterschiedliche Werkstoffgrundlagen geeigneten Fügeverfahren werden neue konstruktive Freiheitsgrade eröffnet, und der Ersatz von technologiegebundenen durch funktionsgerechte Werkstoffe ermöglicht.

Claims (4)

  1. Leistungselektronikmodul – mit einem eine Vielzahl von Kühlkörperplatten umfassenden Kühlkörper (KK), – mit jeweils zumindest einer Schaltungsträgerschicht (ST) auf der Unterseite und/oder der Oberseite des Kühlkörpers (KK), – mit jeweils zumindest einem elektronischen Bauelement (BE) auf der oder den Schaltungsträgerschichten (ST), – wobei die Kühlkörperplatten untereinander, der Kühlkörper (KK) mit der oder den Schaltungsträgerschichten und eine Schaltungsträgerschicht mit einem Bauelement basierend auf einem NTV-Verfahren verbunden sind.
  2. Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, bei dem die Schaltungsträgeschicht, insbesondere an der Oberseite und/oder an der Unterseite des Kühlkörpers, zumindest eine Keramikschicht und eine Leiterbahn umfasst, die basierend auf einem DCB-Verfahren miteinander verbunden sind.
  3. Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlkörperplatten aus Eisenblech bestehen.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikmoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, – bei dem innerhalb desselben NTV-Fertigungsschrittes Kühlkörperplatten zu einem Kühlkörper verbunden werden, zumindest eine Schaltungsträgerschicht mit einer äußeren Kühlkörperplatte verbunden wird, und zumindest ein elektronisches Bauelement mit der Schaltungsträgerschicht verbunden wird.
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DE (1) DE102008005747A1 (de)

Citations (7)

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