DE102009042519A1

DE102009042519A1 - Vorrichtung zur Kühlung von Halbleitern

Info

Publication number: DE102009042519A1
Application number: DE102009042519A
Authority: DE
Inventors: Markus Grimmig; Jan Wanske
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US20110061849A1

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Kühlung von elektronischen Bauelementen und weist eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper ist benachbart zur Grundplatte angeordnet. Mindestens bereichsweise ist zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement ist mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet, das eine Schmelztemperatur von mindestens 60°C aufweist. Das Verbindungselement ist mit einer rahmenartigen Dichtung versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, die eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper aufweist, der benachbart zur Grundplatte angeordnet ist und bei der mindestens bereichsweise zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet ist.
Derartige Verbindungselemente gemäß dem Stand der Technik sind typischerweise als sogenannte Wärmeleitpasten ausgebildet. Derartige Wärmeleitpasten sind in der Regel silikonhaltig und/oder graphithaltig. Ebenfalls ist es bereits bekannt, als Verbindungselemente, beschichtete Metallfolien oder nicht metallische Wärmeleitelemente zu verwenden. Generell dienen derartige Verbindungselemente zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem elektronischen Bauelement, typischerweise einem Leistungshalbleiterbauelement, und dem Kühlkörper.
Aus dem Bereich der Konstruktion von Computern ist es auch bereits bekannt, Wärmeleitfolien zu verwenden. Derartige Wärmeleitfolien weisen einen Schmelzpunkt in einem Bereich von oberhalb von 58°C, typischerweise im Bereich von 60°C, auf und sind deshalb für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik nicht geeignet, da hier häufig Kühlkörpertemperaturen oberhalb von 100°C anzutreffen sind. Derartige Kühlkörpertemperaturen können zu einem Austreten von geschmolzenen Wärmeleitfolien führen und bergen somit die Gefahr von Kurzschlüssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine effektive Kühlung von elektronischen Bauelementen auch bei höheren Kühlkörpertemperaturen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbindungselement mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet ist, das eine Schmelztemperatur von mindestens 60°C aufweist und daß das Verbindungselement mit einer rahmenartigen Dichtung versehen ist.
Durch die Auswahl der vorgegebenen Schmelztemperatur für das Metall und durch die Verwendung einer rahmenartigen Dichtung ist es möglich, auch bei höheren Kühltemperaturen den sehr guten Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Bauelement, dem metallischen Verbindungselement und dem Kühlkörper zu nutzen und trotzdem bei einer Überschreitung des Schmelzpunktes des metallischen Verbindungselementes ein Austreten von verflüssigtem Metall zu vermeiden. Die rahmenartige Dichtung umschließt hierbei das metallische Verbindungselement und liegt einerseits an einer Trägerseite und andererseits am Kühlkörper an. Es kann und andererseits am Kühlkörper an. Es kann hierbei entweder ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem elektronischen Bauelement vorgesehen sein, gemäß anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, das elektronische Bauelement auf einem metallischen Träger zu positionieren. Wesentlich für die effektive Kühlung ist es, daß das Metall ausgehend von der Umgebungstemperatur und vor Erreichen einer maximalen Betriebstemperatur seinen Aggregatzustand wechselt.
Zur Vermeidung eines Auslaufens geschmolzenen Metalls wird vorgeschlagen, daß die Dichtung aus einem Metall mit einer Schmelztemperatur oberhalb von 200°C ausgebildet ist.
Insbesondere ist daran gedacht, daß das Verbindungselement folienartig ausgebildet ist.
Zum Ausgleich von Volumenvergrößerungen durch ein Schmelzen des Metalls ist es möglich, daß im Bereich des Verbindungselementes mindestens eine Ausnehmung angeordnet ist.
Darüber hinaus ist auch daran gedacht, daß im Bereich des Verbindungselementes mindestens eine Materialdickenverminderung angeordnet ist.
Ebenfalls ist es möglich, daß sich das Verbindungselement mindestens bereichsweise mit einem Abstand zur Dichtung erstreckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß im Bereich der Dichtung mindestens eine dem Verbindungselement zugewandte Ausnehmung angeordnet ist.
Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die Dichtung in einer quer zum Kühlkörper verlaufenden Richtung eine größere Höhe aufweist, als eine Dicke der Metallfolie beträgt.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine teilweise Darstellung eines Querschnittes durch eine Halterung für ein elektronisches Bauelement, die über ein metallisches Verbindungselement mit einem Kühlkörper in Kontakt steht,
2 eine Draufsicht auf ein metallisches Verbindungselement, das von einer rahmenartigen Dichtung umgeben ist,
3 eine gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsform mit Expansionsräumen und
4 eine nochmals abgewandelte Ausführungsform mit einem andersartig gestalteten Expansionsraum.
Gemäß der Ausführungsform in 1 ist ein elektronisches Bauelement (1), typischer Weise ein Chip, im Bereich einer Halterung (2), typischer Weise eines Moduls, positioniert. Die Halterung (2) weist eine metallische Grundplatte (3) auf, die über ein Verbindungselement (4) mit einem Kühlkörper (5) gekoppelt ist. Der Kühlkörper (5) weist zur Unterstützung einer Wärmeabgabe an eine Umgebung Kühlrippen (6) auf, die sich vorzugsweise in eine dem Bauelement (1) abgewandelte Richtung erstrecken. Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Kühlrippen (6) ist es auch möglich, eine Flüssigkeitskühlung zu verwenden. Insbesondere ist daran gedacht, ein entsprechendes Kühlmedium durch zugeordnete Kühlkanäle hindurchzuleiten.
Gemäß der Ausführungsform in 2 besteht das Verbindungselement (4) aus einer Metallfolie (7), die von einer rahmenartigen Dichtung (8) umgeben ist. In einem in 1 veranschaulichten Einbauzustand ist die Dichtung (8) zwischen der Grundplatte (3) und dem Kühlkörper (5) eingespannt, um eine erforderliche Dichtigkeit zu gewährleisten.
Gemäß der Ausführungsform in 3 sind im Bereich der Metallfolie (7) eine oder mehrere Ausnehmungen (9) angeordnet. Die Ausnehmungen (9) gewährleisten eine ausreichende Dichtigkeit des Rahmens (8) auch dann, wenn die Metallfolie (7) in Folge einer Temperatureinwirkung schmilzt und hierdurch eine Volumenvergrößerung des Materials der Metallfolie (7) verursacht wird. Die Ausnehmungen (9) stellen somit Expansionsräume bei einer entsprechenden Volumenvergrößerung bereit.
Gemäß der Ausführungsform in 4 weist die Metallfolie (7) eine geringere Dicke auf, als eine Höhe der Dichtung (8) beträgt. Die Höhe der Dichtung (8) entspricht hierbei einem Abstand zwischen der Grundplatte (3) und dem Kühlkörper (5). Durch die entsprechende Dimensionierung der Dichtung (8) wird erreicht, daß oberhalb der Metallfolie (7) ein Expansionsraum (10) angeordnet ist, der entsprechende Volumenvergrößerungen des Materials der Metallfolie (7) bei einer Verflüssigung ausgleichen kann. Insbesondere kann die Metallfolie (7) in einem verflüssigten Zustand auch unterschiedliche Abstände zwischen der Grundplatte (3) und dem Kühlkörper (5) ausgleichen, die dadurch entstehen, daß die dem Modul zugeordnete Grundplatte (3) typischerweise eine gewölbte Gestaltung aufweist.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen metallischen Verbindungselementes (4) erfolgt im Zusammenhang mit elektronischen Bauelementen (1), die als Leistungshalbleiter ausgebildet sind. Die Anwendung ist sowohl im stationären als auch im mobilen Bereich möglich. Derartige mobile Anwendungen beziehen sich insbesondere auf leistungselektronische Geräte oder Komponenten. Die verbesserte Kühlwirkung kann zur Erreichung unterschiedlicher Vorteile genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, durch die verbesserte Kühlwirkung die Leistungsdichte zu erhöhen. Ebenfalls ist es möglich, einen Betrieb mit erhöhten Kühlmitteltemperaturen und/oder bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu ermöglichen. Generell ist es auch möglich, durch eine Verminderung der Betriebstemperaturen die Lebensdauer der Bauelemente (1) zu erhöhen.
Bei einer Ausbildung der Bauelemente als Leistungshalbleiter ist insbesondere an Realisierungen als IGBT oder MOSFET gedacht. Diese können in diskreter Bauform oder in einer Modulbauform vorliegen.
Die erfindungsgemäßen metallischen Verbindungselemente (4) vermindern die DIE-Temperatur um etwa 4 bis 6°K. Ebenfalls läßt sich gegenüber einer Verwendung von Wärmeleitpasten ein deutlich verringerter Montageaufwand erreichen. Die Reproduzierbarkeit der erreichten Kühlwirkung wird verbessert und hierdurch können Qualitätsanforderungen an die Produktionsprozesse sicher eingehalten werden.
Als Material für die Metallfolie (7) werden typischerweise geeignete Legierungen verwendet. Über die Zusammensetzung der Legierung kann der Schmelzpunkt beeinflußt werden. Eine typische Legierung besteht aus Indium, Zinn und Wismut. Indium kann hierbei bedarfsabhängig ganz oder teilweise auch durch Gallium ersetzt werden.
Als Material für die Dichtung (8) kann Zinn, Aluminium oder Kupfer bzw. eine Legierung verwendet werden, die ein oder mehr der vorstehend aufgeführten Elemente enthält.
Eine typische Dicke der Metallfolie (7) beträgt etwa 30 Mikrometer. Verwendbar sind aber auch Metallfolien (7) mit einer Dicke im Bereich von 20 Mikrometer bis 40 Mikrometer. Eine typische Dicke der Dichtung (8) beträgt etwa 60 Mikrometer. Grundsätzlich verwendbar sind auch Materialstärken im Bereich von 40 Mikrometer bis 80 Mikrometer.
Die verwendete Metallfolie (7) besitzt bei ihrer Montage einen festen Aggregatzustand. In einem üblichen Betriebsbereich ist die Metallfolie (7) mit einem flüssigen Aggregatszustand versehen und ein Austreten des geschmolzenen Metalls wird durch die Dichtung (8) verhindert. Bei jeder längeren Betriebsunterbrechung kehrt die Metallfolie (7) in den festen Aggregatszustand zurück. Die Änderungen vom flüssigen in den festen Zustand sowie vom festen Zustand in den flüssigen Zustand verlaufen völlig reversibel.
5 veranschaulicht nochmals die vorstehend bereits erläuterte gewölbte Gestaltung der Grundplatte (3) und die hieraus resultierende Begrenzung des Expansionsraumes (10). Nach einer Verflüssigung der Metallfolie (7) füllt diese den Expansionsraum (10) aus und führt zu einem großflächigen Kontakt zwischen der Grundplatte (3) und dem in 5 nicht dargestellten Kühlkörper (5).

Claims

Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, die eine als Teil einer Halterung des Bauelementes ausgebildete metallische Grundplatte sowie einen Kühlkörper aufweist, der benachbart zur Grundplatte angeordnet ist und bei der mindestens bereichsweise zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ein Verbindungselement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) mindestens bereichsweise aus einem Metall ausgebildet ist, das eine Schmelztemperatur von mindestens 60°C aufweist und daß das Verbindungselement (4) mit einer rahmenartigen Dichtung (8) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (8) aus einem Metall mit einer Schmelztemperatur oberhalb von 200°C ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) folienartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Verbindungselementes (4) mindestens eine Ausnehmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Verbindungselementes (4) mindestens eine Materialdickenverminderung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbindungselement (4) mindestens bereichsweise mit einem Abstand zur Dichtung (8) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Dichtung (8) mindestens eine dem Verbindungselement (4) zugewandte Ausnehmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (8) in einer quer zum Kühlkörper (1) verlaufenden Richtung eine größere Höhe aufweist, als eine Dicke der Metallfolie (7) beträgt.