DE102012205590A1 - Anordnung mit einem Leistungshalbleiter, einem Schaltungsträger, einem kapillaren und/oder porösen Körper und einer Wärmesenke, Verfahren zur Herstellung einer Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines Leistungshalbleiters mittels eines Wärmetransportmediums - Google Patents

Anordnung mit einem Leistungshalbleiter, einem Schaltungsträger, einem kapillaren und/oder porösen Körper und einer Wärmesenke, Verfahren zur Herstellung einer Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines Leistungshalbleiters mittels eines Wärmetransportmediums Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnung mit einem Leistungshalbleiter (1), einem Schaltungsträger (2), einem kapillaren und/oder porösen Körper (5) und einer Wärmesenke (7, 10), wobei der kapillare und/oder poröse Körper (5) mit einem Wärmetransportmedium (11) befüllt ist und wobei der Leistungshalbleiter (1), der Schaltungsträger (2) und der kapillare und/oder poröse Körper (5) in einer Mold-Masse (4) vergossen oder mit einer Umspritz-Masse (4) umspritzt sind. Es ist vorgesehen, dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (22) mit dem Schaltungsträger (2), zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (23) mit der Wärmesenke (7, 10) und zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (21) mit der Mold- oder Umspritz-Masse (4) aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines auf einem Schaltungsträger (2) angeordneten Leistungshalbleiters (1) mittels eines Wärmetransportmediums (11) nach dem Heat-Pipe-Prinzip.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Leistungshalbleiter, einem Schaltungsträger, einem kapillaren und/oder porösen Körper und einer Wärmesenke.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Leistungshalbleiter, einem Schaltungsträger, einem kapillaren und/oder porösen Körper und einer Wärmesenke, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines Leistungshalbleiter mittels eines Wärmetransportmediums.
  • Zur Kühlung für Mikroprozessoren in der Computertechnik findet das sogenannte Heat-Pipe-Prinzip breite Verwendung. EP 0 529 837 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von Mehrchipmodulen. Mehrere Halbleiterchips sind in einem Substrat eingebettet. Die Unterseite des Substrats ist mit einem Kühlkörper verbunden, an dem ein Wärmerohr befestigt ist. Das Wärmerohr ist mit einer Kühlflüssigkeit befüllt und umfasst einen Docht, so dass durch eine Kapillarwirkung die Kühlflüssigkeit zur der den Halbleitern zugewandten Seite gelangt und durch Verdampfen Wärme aufnimmt. Diese wird durch Kondensieren auf der entgegengesetzten Seite wieder abgegeben.
  • DE 85 11 858 U1 beschreibt eine Kühleinrichtung für Halbleiter. Die Kühleinrichtung umfasst ein Gehäuse aus einem gut wärmeleitendem Metall und einen Körper aus einer porös gesinterten Keramik mit einer Kapillarstruktur. Der Keramikkörper ist in einer Ausnehmung des Gehäuses aufgenommen und mit einer Abdeckschicht aus einem flüssigkeits- und dampfdichten Material versehen. Die Abdeckschicht ist mit einer bondfähigen Metallschicht überzogen, mit der ein Halbleiter verbunden werden kann. Ferner umfasst der Keramikkörper einen Hohlraum, der mit einem Kühlmedium befüllt ist. Durch eine Kapillarwirkung gelangt das Kühlmedium in den Bereich der Abdeckschicht, wo es durch Verdampfen Abwärme eines Halbleiters aufnehmen kann.
  • DE 2 056 805 beschreibt eine Leistungshalbleiteranordnung. Die Anordnung umfasst einen Halbleiterkörper, der an seinen Oberflächen mit Elektroden kontaktiert ist. An den Halbleiterkörper grenzen Schichten mit einer Kapillarstruktur, durch die Kühlmittel aus einem Hohlraum zu den Elektroden gelangen und dort verdampfen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung wird durch den in den unabhängigen Hauptansprüchen angegebenen Gegenstand definiert, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
  • Nach einem ersten Aspekt ist eine Anordnung mit einem Leistungshalbleiter, einem Schaltungsträger, einem kapillaren und/oder porösen Körper und einer Wärmesenke vorgesehen, wobei der kapillare und/oder poröse Körper mit einem Wärmetransportmedium befüllt ist und wobei der Leistungshalbleiter, der Schaltungsträger und der kapillare und/oder poröse Körper in einer Mold-Masse vergossen oder mit einer Umspritz-Masse umspritzt sind. Dabei weist der kapillare und/oder poröse Körper zumindest eine gemeinsame Grenzfläche mit dem Schaltungsträger, zumindest eine gemeinsame Grenzfläche mit der Wärmesenke und zumindest eine gemeinsame Grenzfläche mit der Mold-Masse oder der Umspritz-Masse auf. Der Schaltungsträger ist bevorzugt ein Kupferstanzgitter. Eine elektrische Isolation zwischen Halbleiter, Schaltung und der Grenzfläche zum porösen Körper wie z.B. durch eine Leiterplatte oder Keramik ist nicht notwendig.
  • Eine gemoldete oder umspritzte Anordnung mit mindestens einen Leistungshalbleiter, mindestens einen Schaltungsträger, und mindestens einem kapillaren und/oder porösen Körper wird auch als ein Leistungsmodul oder kurz als ein Modul bezeichnet. Ein Modul kann demnach einen Leistungshalbleiter oder mehrere Leistungshalbleiter umfassen, einen Schaltungsträger oder mehrere Schaltungsträger und einen kapillaren und/oder porösen Körper oder mehrere kapillare und/oder poröse Körper.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Leistungshalbleiter auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Leistungshalbleiter, welche auf mehreren oder einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind, auf einem gemeinsamen kapillaren und/oder porösen Körper angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine Befüllöffnung für das Wärmetransportmedium außerhalb des Wärmeflusspfades angeordnet werden kann und eine Dichtung gegen einen Austritt des Wärmetransportmediums nur geringen Temperaturschwankungen durch den elektrischen Betrieb unterliegt. Damit wird die Dichtheit über die Lebensdauer deutlich erhöht und der Aufbau des Inverters stark vereinfacht.
  • Die Wärmesenke kann ein Kühlkörper sein, in dem beispielsweise eine Kühlflüssigkeit zierkuliert und/oder welcher Kühlrippen umfasst, oder eine Metallplatte, welche an einem Kühlkörper befestigt ist. Bevorzugt wird auch der Kühlkörper von mehreren Modulen gemeinsam verwendet.
  • Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit mindestens einem Leistungshalbleiter, mindestens einem Schaltungsträger und einem kapillaren und/oder porösen Körper vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst:
    • (a) Anordnen des Leistungshalbleiters oder der Leistungshalbleiter auf dem Schaltungsträger oder den Schaltungsträgern,
    • (b) Anordnen des kapillaren und/oder porösen Körpers auf dem Schaltungsträger oder den Schaltungsträgern, so dass diese zumindest eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen,
    • (c) Umspritzen oder Vergießen der Anordnung mit dem mindestens einen Leistungshalbleiter, dem mindestens einen Schaltungsträger und dem kapillaren und/oder porösen Körper mit einer Umspritz- oder Mold-Masse, so dass der kapillare und/oder poröse Körper und die Umspritz- oder Mold-Masse zumindest eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen.
  • Vor oder nach dem Schritt (c) kann im Verfahren zur Herstellung eine Wärmesenke auf dem kapillaren und/oder porösen Körper angeordnet werden, so dass der kapillare und/oder poröse Körper und die Wärmesenke zumindest eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. Durch Umspritzen oder Vergießen kann die Fixierung der Wärmesenke an der Anordnung mit dem Leistungshalbleiter, dem Schaltungsträger und dem kapillaren und/oder porösen Körper erfolgen. Alternativ kann die Wärmesenke angeklebt werden, wobei dann die Anordnung mit dem Leistungshalbleiter, dem Schaltungsträger, dem kapillaren und/oder porösen Körper und der Wärmesenke umspritzt oder vergossen wird.
  • Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines an einem Schaltungsträger angeordneten Leistungshalbleiters unter Verwendung eines Wärmetransportmediums vorgesehen, wobei das Wärmetransportmedium bei einem Kontakt mit dem Schaltungsträger eine Verdampfungswärme aufnimmt, wobei das Wärmetransportmedium entlang eines Temperaturgradienten in einem kapillaren und/oder porösen Körper einer Wärmesenke zugeführt wird und bei einem Kontakt an der Wärmesenke die Verdampfungswärme in Form von Kondensationswärme abgibt und wobei das Wärmetransportmedium durch den kapillaren und/oder porösen Körper durch eine Kapillarkraft zum Schaltungsträger zurückströmt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das Heat-Pipe-Prinzip, welches für die Kühlung von Mikroprozessoren aus der Computertechnik bekannt ist, wird in ein Leistungsmodul kompakt und kostengünstig integriert. Dabei wird eine gute Wärmeleitung des Schaltungsträgers und eine hohe elektrische Isolation der Anordnung mit dem Schaltungsträger und dem Leistungshalbleiter erreicht, was bisher ein Widerspruch war, da gute elektrische Isolatoren, wie z.B. Keramik, Duroplaste usw., relativ schlechte Wärmeleiter sind. Erfindungsgemäß werden den Anforderungen an die elektrische Isolationsfestigkeit erfüllt und gleichzeitig die Wärmeabfuhr gegenüber typischerweise verwendeten Materialien, Keramiken, Duroplaste mit Glasfasern, SiC, deutlich übertroffen. Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Anordnung einen sehr kleinen Bauraum beansprucht und in üblichen Herstellungsprozessen von Leistungshalbleitern hergestellt werden kann.
  • Besonders vorteilhaft wird die Erfindung bei Invertern eingesetzt, welche Gleichstrom, beispielsweise aus Batterien oder Solaranlagen, in Wechselstrom umwandeln, zum Beispiel für Motoren, insbesondere für (H)EV-Fahrzeuge, aber auch für das öffentliche Wechselstromnetz. Derartige Inverter umfassen meist mehrere miteinander gekoppelte Leistungshalbleiter, die gemeinsam eine Leistung von mehreren hundert kW erreichen. Durch geeignete Dimensionierung des kapillaren und/oder porösen Körpers und des Wärmetransportmediums kann in kurzer Zeit eine große Wärmemenge transportiert werden
  • Die Wärmleitfähigkeit einer Heatpipekonstruktion ist bis zu 100 Mal höher als die von Kupfer. Bestimmend ist die Wärmeleitfähigkeit des Schaltungsträgers, d.h. des Stanzgitters und das zulässige Delta T. Bei typischen Werten kann sich eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 100–500 W/cm2 ergeben.
  • Die Kühlung funktioniert nach dem klassischen Heat-Pipe-Prinzip. An der heißen Fläche verdampft der Wärmeträger, d.h. das Wärmetransportmedium, sobald dort die Siedetemperatur überschritten wird, und nimmt dabei seine stoffspezifische Verdampfungswärme auf. In den Hohlräumen des kapillaren und/oder porösen Körpers bildet sich dabei eine Gasatmosphäre. Da die Temperatur der kalten Fläche unterhalb der Siedetemperatur liegt, wird das Medium entlang des bestehenden Temperaturgradienten im kapillaren und/oder porösen Körper zu der Wärmesenke geführt, wo es kondensiert und seine Verdampfungswärme an die Umgebung, die Wärmesenke abgibt. Das nun flüssige Medium fließt unterstützt von Kapillarkraft gegebenenfalls gegen die Schwerkraft wieder zur heißen Seite zurück.
  • Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 ein Leistungsmodul mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht,
  • 2 ein Leistungsmodul mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht und
  • 3 ein Leistungsmodul mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein Leistungsmodul 20 mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht. Die Größe des Leistungsmoduls 20 ist circa 6 cm × 5 cm bei einer Höhe von 5–8 mm. Die Betriebstemperatur kann bis zu 150 °C betragen. Bei Invertern werden üblicherweise mehrere Module als Halb-, Voll- oder B6-Brücken zusammengefasst.
  • Ein Halbleiterbauelement 1, beispielsweise ein Leistungshalbleiter ist auf einem metallischen Schaltungsträger 2, einem so genannten Leadframe aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebondet, aufgelötet, gesintert oder geklebt. Dargestellt ist eine Ausführungsform mit einer Klebefläche 3. Der Leistungshalbleiter 1 kann beispielsweise ein MOS-FET oder ein IBGT sein, welche üblicherweise für Inverter zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom verwendet werden. Als Schaltungsträger 2 kann bevorzugt Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet werden. Diese wird z.B. durch Stanzen oder Laserschneiden in die für die Schaltung vorteilhafte Form gebracht.verwendet werden.
  • Aufgabe des Schaltungsträgers 2 ist neben der mechanischen und elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbausteins 1 auch die Ableitung der im Betrieb entstehenden Verlustwärme in Richtung einer Wärmesenke, typischerweise eine Luft- oder Kühlwasserkühlung.
  • Der Schaltungsträger 2 ist auf einen elektrisch isolierenden Kunststoff- oder Keramikkörper 5 aufgesetzt, welcher im Rahmen der Erfindung als kapillarer und/oder poröser Körper 5 bezeichnet wird. Der kapillare und/oder poröse Körper 5 hat insbesondere die Aufgabe, eine elektrische Isolation des Schaltungsträgers 2 gegen ein Kühlmedium 7 und dessen Leitungssystem bereitzustellen. Dabei werden Isolationsspannungen von einigen Hundert Volt bis zu 5 kV gefordert.
  • Zudem ist der kapillare und/oder poröse Körper 5 geeignet, eine beim elektrischen Betrieb am Halbleiterbauelement 1 und Schaltungsträger 2 entstehende Wärme einer Wärmesenke zuzuführen. Der kapillare und/oder poröse Körper 5 weist hierzu eine zur Kontaktebene senkrechte Kapillröhrenstruktur 6 mit ggf. einer feinen Rillenstruktur an den Wänden 21, 22, 23 auf. Die Kapillaren 6 müssen nicht, wie in 1 dargestellt, gerade ausgebildet sein, sie können auch Faserstränge umfassen, welche gegen die Vertikale geneigt sind und eine mehr oder weniger regelmäßige Struktur aufweisen. Die Kapillröhrenstruktur 6 ist derart, dass ein Wärmetransportmedium 11 im flüssigen Zustand durch Kapillarkraft wieder zurück zum Schaltungsträger 2 gelangen kann. Die Rückführung der Flüssigkeit zum Schaltungsträger 2 innerhalb des kapillaren und/oder porösen Körpers 5 kann insbesondere nach dem bekannten Dochtprinzip erfolgen. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu kann der kapillare und/oder poröse Körper 5 eine poröse Struktur aufweisen, wobei diese überwiegend sogenannte offene, benetzbare Poren aufweist. Die Kapillaren und Poren können untereinander zum Flüssigkeits- bzw. Gasaustausch verbunden sein.
  • Der kapillare und/oder poröse Körper 5 wird bevorzugt aus Kunststoff oder Keramik gefertigt, beispielsweise gesintert. Ein Kunststoff stellt die preiswertere Alternative dar. Die Keramik weist eine raue Oberfläche auf, was vorteilhaft für die Kapillarwirkung angesehen wird. Eine Keramik hat außerdem den Vorteil der höheren Temperaturfestigkeit bei gleichzeitig geringerer Wärmeausdehnung.
  • Der kapillare und/oder poröse Körper 5 befindet sich in einem hermetisch gekapselten Volumen, beispielsweise in einem Quader, und ist mit einem Arbeitsmedium, dem Wärmetransportmedium 11 gefüllt, das das Volumen zu einem Teil in flüssigem und zu einem größeren Teil in dampfförmigem Zustand ausfüllt. In einigen Fällen, in welchen die Lage der Leistungsmoduls 20 in Bezug auf die Schwerkraft bekannt ist, kann vorgesehen sein, dass die Schwerkraft die Kapillarkräfte ergänzen oder teilweise aufhebt, so dass hierdurch die tatsächliche Wärmetransportleistung der Vorrichtung optimiert werden kann.
  • Das Wärmetransportmedium 11 ist so zu wählen, dass es bei der unteren Betriebstemperatur des Moduls, bei Fahrzeuganwendungen typischerweise –40° C, flüssig bleibt und ihren Siedepunkt zwischen der gewünschten Betriebstemperatur, welche typischerweise zwischen 65° C und 110° C, insbesondere zwischen 80° C und 100° C, liegt, und der maximalen Kühlmitteltemperatur hat, typischerweise 85° C, aber auch niedriger. Als Wärmeträger, d.h. als das Wärmetransportmedium 11 kann beispielsweise destilliertes Wasser mit Frostschutzmittel verwendet werden. Bevorzugt wird aber ein Alkohol, ein Mineralöl, ein Silikonöl, hochmolekularer Äther oder eine Mischung hieraus verwendet. Bei der Auswahl des Wärmetransportmediums 11 ist insbesondere auf die elektrische Spannungsfestigkeit des Mediums, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen, wie in (H)EV-Fahrzeugantrieben oder der Solartechnik, zu achten. Außerdem muss das Wärmetransportmedium 11 im flüssigen Zustand ausreichend niederviskos zum Befüllen des kapillaren und/oder porösen Körpers 5 sein.
  • Die Anordnung mit dem Leistungshalbleiter 1, dem Schaltungsträger 2 und dem kapillaren und/oder porösen Körper 5 ist nach der in 1 dargestellten Ausführungsform auf eine flächige Metallplatte 7 aufgesetzt oder aufgeklebt, so dass der kapillare und/oder poröse Körper 5 eine gemeinsame Grenzfläche 23 mit der Metallplatte 7 aufweist. Die Metallplatte 7 ist andererseits an eine weitere Wärmesenke, den eigentlichen Kühlkörper 10, gelötet, gesintert oder geklebt. Der Kühlkörper 10 weist Kühlrippen oder Kühlfinnen 24 zum Abtransport der Wärme auf. Im Kühlkörper kann ein Kühlmittel zirkulieren, welches ebenfalls die Wärme abtransportiert (nicht dargestellt).
  • Die Metallplatte 7 weist an einer Stelle eine Durchgangsöffnung 8 auf, welche einen Zugang zum kapillaren und/oder porösen Körper 5 bereitstellt. Über den Zugang wird der Wärmeträger, d.h. das Wärmetransportmedium 11, in den kapillaren und/oder porösen Körper 5 eingefüllt. Die Öffnung ist durch eine Stahl- oder Keramikkugel 12 hermetisch dauerhaft verschlossen. Weitere Verschlussarten wie Heißverstemmen, Bördeln, mit einem Thermoplast Verkleben oder Eindrehen einer Schraube sind ebenso möglich.
  • Das Sandwich bestehend aus dem Schaltungsträger 2, dem kapillaren und/oder porösen Körper 5 und der Metallplatte 7 kann beim Verguss- oder Umspritzungsprozess in einem Arbeitsgang verbunden werden. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, Elemente der Anordnung in einem gesonderten Arbeitsgang z.B. durch Kleben zu verbinden. Dann wird in einem anschließenden Fertigungsprozess die Anordnung mit dem Leistungshalbleiter 1, dem Schaltungsträger 2, dem kapillaren und/oder porösen Körper 5 und ggf. der Metallplatte 7 in einem geeigneten Umspritz-, Gieß- oder Moldwerkzeug mit einer Verguss- oder Umspritzmasse 4, insbesondere einem Schutzgel oder Duroplast vergossen bzw. umspritzt. Der kapillare und/oder poröse Körper 5 weist hiernach eine gemeinsame Grenzfläche 22 mit dem Schaltungsträger 2, eine gemeinsame Grenzfläche 23 mit der Metallplatte und eine gemeinsame Grenzfläche 21 mit der Verguss- bzw. Umspritzmasse 4 auf.
  • Die Metallplatte 7 oder der Kühlkörper 10 können einen Teil, d. h. eine Wand eines Moldwerkzeugs bilden, in dem die Umspritzung oder das Vergießen mit der Verguss- oder Umspritzmasse 4 stattfindet. Es ist darauf zu achten, dass die Verguss- bzw. Umspritzmasse 4 auf Grund ihrer Viskosität nicht signifikant in den kapillaren und/oder porösen Körper 5 eindringen kann. Die Verguss- bzw. Umspritzmasse 4 dient dem Schutz der Halbleiterbausteine 1 gegen Beschädigung und vor äußeren Umwelteinflüssen. Daneben sollte die Verguss- bzw. Umspritzmasse 4 aber auch elektrisch schlecht leitend ausgebildet sein, so dass hierdurch eine elektrische Isolation der Halbleiterbausteine 1 gegenüber der Umwelt bereitgestellt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass über die Vergussmasse zusätzlich Wärme abgeführt wird.
  • 2 zeigt ein Leistungsmodul 20 mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur, umfassend eine Anordnung mit einem Leistungshalbleiter 1, einem Schaltungsträger 2, einem kapillaren und/oder porösen Körper 5 und einer Wärmesenke 7, 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der kapillare und/oder poröse Körper 5 ist mit einem im kapillaren und/oder porösen Körper 5 befindlichen Wärmeträger 11 schwammartig befüllt. Die mit Bezug auf 1 beschriebene senkrechte Kapillröhrenstruktur 6 ist hier der Übersicht halber nicht mit dargestellt, kann aber vorhanden sein. Beim Umspritzen oder Vergießen der Anordnung in einem Molding-Werkzeug oder in einem Umspritzwerkzeug wird bei dieser Ausführungsform mittels eines Stempels eine Zugangsöffnung 8 zu dem kapillaren und/oder porösen Körper 5 in die Umspritz- oder Mold-Masse 4 eingebracht. Die Befüllung des kapillaren und/oder porösen Körpers 5 mit dem Wärmeträger 11 erfolgt in dieser Ausführungsform über die Verguss- bzw. Umspritzmasse 4. Die Öffnung 8 kann, wie dargestellt, durch Einpressen einer Stahl- oder Keramikkugel 12 hermetisch verschlossen werden oder auf andere Weise, wie mit Bezug zu 1 beschrieben. Unterseitig ist wiederum eine Metallplatte 7 als Anschluss zu dem Kühlkörper 10 vorgesehen. Der kapillare und/oder poröse Körper 5 weist wiederum eine gemeinsame Grenzfläche 22 mit dem Schaltungsträger 2, eine gemeinsame Grenzfläche 23 mit der Metallplatte und eine gemeinsame Grenzfläche 21 mit der Verguss- bzw. Umspritzmasse 4 auf.
  • Bei dieser Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, dass die Befüllöffnung 8 für den Wärmeträger 11 außerhalb eines Wärmeflusspfades 25 angeordnet ist und eine Dichtung 26 gegen einen Austritt des Wärmeträgers 11 nur geringen Temperaturschwankungen durch den elektrischen Betrieb unterliegt. Damit wird die Dichtheit des Moduls 20 über die Lebensdauer deutlich erhöht.
  • 3 zeigt ein Leistungsmodul 20 mit einer Kühlungs- und Isolationsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Anordnung mit dem Leistungshalbleiter 1, dem Schaltungsträger 2 und dem kapillaren und/oder porösen Körper 5 wie in 2 vorliegt, wobei aber der kapillare und/oder poröse Körper 5 direkt an den Kühlkörper 10 befestigt ist, beispielsweise geklebt, verlötet, gesintert oder verschraubt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann ein gemeinsamer Kühlkörper 10 für mehrere Module 20, beispielsweise regelmäßig flächig nebeneinander angeordnete Module 20, verwendet werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 8511858 U1 [0004]
    • DE 2056805 [0005]

Claims (11)

  1. Anordnung mit einem Leistungshalbleiter (1), einem Schaltungsträger (2), einem kapillaren und/oder porösen Körper (5) und einer Wärmesenke (7, 10), wobei der kapillare und/oder poröse Körper (5) mit einem Wärmetransportmedium (11) befüllt ist und wobei der Leistungshalbleiter (1), der Schaltungsträger (2) und der kapillare und/oder poröse Körper (5) in einer Mold-Masse (4) vergossen oder mit einer Umspritz-Masse (4) umspritzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (22) mit dem Schaltungsträger (2), zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (23) mit der Wärmesenke (7, 10) und zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (21) mit der Mold- oder Umspritz-Masse (4) aufweist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) aus einem Kunststoff oder aus einer Keramik gefertigt ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mold-Masse (4) oder Umspritz-Masse (4) aus einem Duroplast gefertigt ist.
  4. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium (11) ein Alkohol, ein Mineralöl, ein Silikonöl, ein hochmolekularer Äther oder eine Mischung daraus ist.
  5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (7, 10) eine an einem Kühlkörper (10) befestigte Metallplatte (7) oder ein Kühlkörper (10) ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit mindestens einem Leistungshalbleiter (1), mindestens einem Schaltungsträger (2) und einem kapillaren und/oder porösen Körper (5) mit den folgenden Schritten: (a) Anordnen des Leistungshalbleiters (1) oder der Leistungshalbleiter (1) auf dem Schaltungsträger (2) oder den Schaltungsträgern (2), (b) Anordnen des kapillaren und/oder porösen Körpers (5) auf dem Schaltungsträger (2) oder den Schaltungsträgern (2), so dass diese zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (22) aufweisen, (c) Umspritzen oder Vergießen der Anordnung mit dem mindestens einen Leistungshalbleiter (1), dem mindestens einen Schaltungsträger (2) und dem kapillaren und/oder porösen Körper (5) mit einer Umspritz- oder Mold-Masse (4), so dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) und die Umspritz- oder Mold-Masse (4) zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (21) aufweisen.
  7. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Schritt (c) eine Wärmesenke (7, 10) auf dem kapillaren und/oder porösen Körper (5) angeordnet wird, so dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) und die Wärmesenke (7, 10) zumindest eine gemeinsame Grenzfläche (23) aufweisen.
  8. Verfahren zur Herstellung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim dem Umspritzen oder Vergießen der Anordnung in einem Molding-Werkzeug oder in einem Umspritzwerkzeug mittels eines Stempels eine Zugangsöffnung (8) zu dem kapillaren und/oder porösen Körper (5) in die Umspritz- oder Mold-Masse (4) eingebracht wird.
  9. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare und/oder poröse Körper (5) über die Zugangsöffnung (8) mit einem Wärmetransportmedium (11) befüllt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung (8) nach Befüllung des kapillaren und/oder porösen Körpers (5) mit dem Wärmetransportmedium (11) hermetisch verschlossen wird, insbesondere durch Einpressen einer Stahl- oder Keramikkugel (12).
  11. Verfahren zum Betrieb einer Kühlung eines an einem Schaltungsträger (2) angeordneten Leistungshalbleiters (1) unter Verwendung eines Wärmetransportmediums (11), unter Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmetransportmedium (11) bei einem Kontakt mit dem Schaltungsträger (2) eine Verdampfungswärme aufnimmt, wobei das Wärmetransportmedium (11) entlang eines Temperaturgradienten in einem kapillaren und/oder porösen Körper (5) einer Wärmesenke (7, 10) zugeführt wird und bei einem Kontakt an der Wärmesenke (7, 10) die Verdampfungswärme in Form von Kondensationswärme abgibt, wobei das Wärmetransportmedium (11) durch den kapillaren und/oder porösen Körper (5) durch eine Kapillarkraft zum Schaltungsträger (2) zurückströmt.
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