DE102013209719B4

DE102013209719B4 - Leistungshalbleitermodul mit Flüssigkeitskühlung

Info

Publication number: DE102013209719B4
Application number: DE102013209719.0A
Authority: DE
Inventors: Andre Uhlemann; Thorsten Fath
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2033-05-25
Also published as: CN104183561A; DE102013209719A1; US9578789B2; CN104183561B; US20140347818A1

Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul (50) umfassend: eine Bodenplatte (1) mindestens ein auf der Bodenplatte (1) angeordnetes, zu kühlendes Substrat (3) ein unter der Bodenplatte (1) angeordnetes, zweiteiliges Kühlsystem (200), welches folgendes aufweist: ein oberes Teilstück (200), welches derart ausgebildet ist, dass es mit der Bodenplatte (1) einen Strömungskanal (9) für eine Kühlflüssigkeit bildet, wobei das obere Teilstück (200') einen ersten Zulauf (10) sowie einen Ablauf (11) aufweist, durch die die Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal (9) ein- bzw. ausgeleitet werden kann, und wobei das obere Teilstück (200') mindestens einen zweiten Zulauf (8) aufweist, der in einer Längsrichtung, die entlang des Strömungskanals (9) verläuft, von dem ersten Zulauf (10) beabstandet ist, ein unteres Teilstück (200'') ausgestaltet mit einem Einlass (12) und einem Auslass (13), wobei der Auslass (13) mit dem Ablauf (11) und der Einlass (12) mit dem ersten Zulauf (10) verbunden ist, wobei das untere Teilstück (200'') einen vom Einlass (12) abzweigenden Kanal (14) aufweist, welcher zumindest einen Bypass-Kanal (15) aufweist, der mit dem zweiten Zulauf (8) verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Bypass-Kanal (15) in den Strömungskanal (9) gelangt.

Description

Die Erfindung liegt in dem Gebiet der Elektronikkühlung, insbesondere wird ein Leistungshalbleitermodul mit Flüssigkeitskühlung beschrieben.
Halbleitermodule und insbesondere Leistungshalbleitermodule erzeugen während des Betriebs bei hohen Strömen und Spannungen Wärme, die, wenn sie nicht entsprechend abgeführt wird, die Leistung und Lebensdauer jener Module vermindert. Bei Leistungshalbleiterbauelementen und -modulen wird bei entsprechend hohen Verlustleistungen eine Flüssigkeitskühlung verwendet, um einen ausreichenden Wärmeabtransport zu gewährleisten.
Bei der direkten Flüssigkühlung weist das Leistungshalbleitermodul an seiner Unterseite Wärmetauscher (z. B. Kühlkörper) auf, welche die Wärme der Bauteile aufnehmen und durch den direkten Kontakt zur Kühlflüssigkeit jene an diese übertragen. Somit erwärmt sich die Kühlflüssigkeit während esder Unterseite des Moduls entlang strömt, wobei sich die Temperatur der Kühlflüssigkeit immer mehr an die Betriebstemperatur des Moduls annähert. Der Kühleffekt (d. h. der Wärmeübergang von Module auf die Kühlflüssigkeit) ist jedoch stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Kühlflüssigkeit und folglich wird das Modul an jener Seite, an der die (kalte) Kühlflüssigkeit einströmt besser gekühlt, als an jener Seite, an der die (erwärmte) Kühlflüssigkeit wieder ausströmt. Die Bauelemente, welche im Modul (in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit gesehen) hintereinander angeordnet sind, werden demnach nicht gleichmäßig gekühlt und erfahren daher eine unterschiedliche thermische Belastung, was die Lebensdauer des gesamten Moduls auf die Lebensdauer des am schlechtesten gekühlten Bauteils beschränkt.
Bisherige Kühlungslösungen sehen nur Längs- oder Querströmungen der Kühlflüssigkeit unterhalb der Bodenplatte vor, wobei Längsströmungen entlang der (langen) Längsrichtung und Querströmungen entlang der (kurzen) Querrichtung des Moduls verlaufen. Bei der Längsströmung ist der Effekt der Inhomogenität der Temperaturverteilung in der Kühlflüssigkeit maximal, da die Kühlflüssigkeit auf einer Schmalseite des Moduls eingeleitet und an der gegenüberliegenden Seite des Moduls wieder abgeleitet wird. Über die gesamte Länge (d. h. entlang der Längsseiten) des Moduls erwärmt sich die Kühlflüssigkeit demnach, wodurch die Bauteile, die sich an jeder Seite des Moduls befinden, an der die erwärmte Kühlflüssigkeit abgeleitet wird, mit wärmerer Flüssigkeit gekühlt werden als die auf der gegenüberliegenden Seite des Moduls, an der die kalte Kühlflüssigkeit eingeleitet wird.
Die Lösung via Querströmung löst zwar das Problem der Inhomogenität, erfordert aber deutlich größere Volumenströme der Kühlflüssigkeit, da der Strömungsquerschnitt durch die (lange) Längsseite vorgegeben ist. Die damit verbundenen höheren Pumpleistungen sind gerade in modernen Anwendungsbereichen wie Elektro- oder Hybridfahrzeugen unerwünscht.
Die US20090205802A1 beschreibt ein Kühlsystem. Das Kühlsystem umfasst ein Kühlelement zur Aufnahme von Wärme eines zu kühlenden Bauteils, eine Pumpe und eine Kühlrippe, die hintereinander in einem Kanal angeordnet sind, in dem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Die US20070000656A1 beschreibt ein Kühlsystem zur Kühlung von wärmeerzeugenden Bauelementen, wobei der Kühleffekt durch ein Zusammentreffen von Kühlmedium mit der Rückseite der wärmeerzeugenden Bauelemente erzielt wird. Die US20120212907A1 beschreibt ein zweiteiliges Kühlsystem zur Kühlung von Leistungshalbleitermodulen mit einem unterem und einem unterem Teilstück, wobei das obere Teilstück keinen Zulauf aufweist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Kühlvorrichtung für ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, mit der ein gleichmäßiger Wärmeabtransport vom Modul auch bei moderaten Volumenströmen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 bzw. 6 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst eine Bodenplatte, mindestens ein auf der Bodenplatte aufgebrachtes, zu kühlendes Substrat und ein unter die Bodenplatte angeordnetes, zweiteiliges Kühlsystem. Dieses weist ein oberes sowie ein unteres Teilstück auf. Das obere Teilstück ist derart ausgebildet, dass es mit der Bodenplatte einen Strömungskanal für eine Kühlflüssigkeit bildet, wobei das obere Teilstück einen ersten Zulauf sowie einen Ablauf aufweist, durch den die Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal ein- bzw. ausgeleitet werden kann. Zudem weist das obere Teilstück mindestens einen zweiten Zulauf auf, der in einer Längsrichtung, die entlang der Strömungsrichtung verläuft, von dem ersten Zulauf beabstandet ist. Das untere Teilstück ist mit einem Einlass und einem Auslass ausgestaltet, wobei der Auslass mit dem Ablauf und der Einlass mit dem ersten Zulauf verbunden ist. Zudem weist das untere Teilstück einen vom Einlass abzweigenden Kanal auf, welcher zumindest einen Bypass-Kanal enthält, der mit dem zweiten Zulauf verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Bypass-Kanal in den Strömungskanal gelangt.
Ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein zu kühlendes Substrat und ein unter dem Substrat angeordnetes, zweiteiliges Kühlsystem. Dieses weist ein oberes sowie ein unteres Teilstück auf. Das obere Teilstück ist derart ausgebildet, dass es mit dem Substrat einen Strömungskanal für eine Kühlflüssigkeit bildet, wobei das obere Teilstück einen ersten Zulauf sowie einen Ablauf aufweist, durch den die Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal ein- bzw. ausgeleitet werden kann. Zudem weist das obere Teilstück mindestens einen zweiten Zulauf auf, der in einer Längsrichtung, die entlang der Strömungsrichtung verläuft, von dem ersten Zulauf beabstandet ist. Das untere Teilstück ist mit einem Einlass und einem Auslass ausgestaltet, wobei der Auslass mit dem Ablauf und der Einlass mit dem ersten Zulauf verbunden ist. Zudem weist das untere Teilstück einen vom Einlass abzweigenden Kanal auf, welcher zumindest einen Bypass-Kanal enthält, der mit dem zweiten Zulauf verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Bypass-Kanal in den Strömungskanal gelangt.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur solche Aspekte dargestellt sind, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 veranschaulicht ein Leistungshalbleitermodul in der Draufsicht, wobei das Modul aus drei Substraten mit je acht Leistungshalbleitern, einer Bodenplatte sowie einem Kühlsystem aufgebaut ist,
2 veranschaulicht eine horizontale Längsschnittansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß 1, wobei die möglichen Kanalverläufe im Kühlsystem angedeutet sind; und
3 entspricht der Darstellung aus 2 jedoch sind Modul und Kühlsystem zusammengebaut dargestellt.
In der Nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 50 in der Draufsicht von oben, bestehend aus einer Bodenplatte 1, einem darunter angeordnetem Kühlsystem 2 sowie auf der Bodenplatte 1 aufgebrachte Substrate 3, auf denen sich Leistungshalbleiterbauelemente 6 befinden können. Das Leistungshalbleitermodul 50 ist normalerweise rechteckig und besitzt folglich eine längere Seite (nachfolgend als Längsseite bezeichnet) und eine kürzere Seite (nachfolgend als Querseite bezeichnet). Richtungsangaben werden entsprechend als Längs- und Querrichtung angegeben. Die geometrische Gestaltung des Halbleitermoduls kann auch quadratisch sein. In diesem Fall wären Längs- und Querseite gleich lang. Zur Erleichterung der Beschreibung wird hier aber eine nicht quadratische Ausführungsform als Beispiel beschreiben.
Anders als in dem Beispiel aus 1 dargestellt, kann ein Substrat 3 selbst die Funktion der Bodenplatten übernehmen. In diesem Fall wird häufig auch von „bodenplattenlosen” Modulen gesprochen. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist die „Bodenplatte” entweder eine separate Bodenplatte des Moduls (meist aus Metall), auf der ein oder mehrere Substrate (meist aus Keramik, z. B. DCB-Substrat) angeordnet sein können, oder das (z. B. Keramik-)Substrat selbst, auf dem dann direkt die Halbleiterbauelemente angeordnet sind. Die Bodenplatte 1 kann vorzugsweise Aussparungen in den Bereichen zwischen den Substraten 3 aufweisen, wo keine Kühlung von Nöten ist. Durch diese Aussparungen kann Material eingespart werden und der Druckverlust in den Kühlstrukturen gesenkt werden. Im Allgemeinen sind die Aussparungen für die Funktionsweise des Kühlsystems 2 nicht notwendig und stellen daher eine optionale Ausgestaltung dar.
Das Kühlsystem 2 ist in 1 nur schematisch angedeutet um dessen Positionierung zu veranschaulichen.
2 zeigt eine horizontale Schnittansicht in Längsrichtung des Leistungshalbleitermoduls 50. Das komplette Modul umfasst im Wesentlichen drei Hauptkomponenten. Eine Bodenplatte 1, ein Substrat 3 sowie die darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente 6 bilden zusammen mit den unterhalb der zu kühlenden Bereiche der Bodenplatte 1 angeordneten Kühlrippen 7 das zu kühlende Modul 100. Die Ausführungsform des zu kühlenden Moduls 100 in 2 und 3 zeigt eine Bodenplatte 1 in Kompositform; die aus zwei unterschiedlichen Schichten besteht. Die obere Schicht (Deckschicht) besteht dabei aus Kupfer (Cu), die untere Schicht aus Aluminium (Al). Im Allgemeinen kann die Bodenplatte 1 aber aus Vollmaterial gefertigt werden (z. B. Al, AlSiC oder Cu). Fertigungsverfahren zur Herstellung solcher Bodenplatten sind beispielsweise Kaltfließpressen oder Metal-Injection-Molding (MIM). Auf der Unterseite des zu kühlenden Moduls 100 ist das Kühlsystem 200 angeordnet, welches im Wesentlichen zwei Komponenten umfasst.
Das Kühlsystem 200 umfasst also zwei Teile. Das obere Teilstück 200', das direkt mit der Unterseite des Moduls 100 verbunden ist, sowie das untere Teilstück 200'', das an dem oberen Teilstück 200' anliegt. Das obere Teilstück 200' weist dabei eine obere Seite auf, die eine wannenartige Öffnung enthält, die so ausgestaltet ist, dass sie mit dem zu kühlenden Modul 100 einen Strömungskanal 9 für das Kühlmittel bildet. Dabei ist die Öffnung derart ausgestaltet, dass die Kühlstrukturen (Kühlrippen 7) im Strömungskanal 9 vollständig Platz finden.
Das obere Teilstück 200' weist zudem einen Zulauf 10 und Ablauf 11 zu bzw. von dem Strömungskanal 9 auf, die ausgehend von der unteren Seite des Teilstücks 200' die wannenartige Öffnung der oberen Seite mit der unteren Seite verbinden. Durch den Zulauf 10 kann somit von der Unterseite des Teilstücks 200' Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal 9 eingeleitet werden und auf der anderen Seite in Längsrichtung durch den Ablauf 11 wieder abfließen. Neben Zulauf 10 und Ablauf 11 weist das obere Teilstück 200' mindestens einen weiteren Zulauf 8 auf, der in Längsrichtung (in Strömungsrichtung) zum Zulauf 10 und Ablauf 11 beabstandet ist, sich damit also in Längsrichtung zwischen Zulauf 10 und Ablauf 11 befindet. Dabei ist die genaue Position des weiteren Zulaufs 8 so gewählt, dass er sich in Längsrichtung zwischen zwei Kühlstrukturen (Kühlrippen 7) befindet. Im vorliegenden Beispiel sind zusätzlich zum Zulauf 10 zwei weitere Zuläufe 8 vorgesehen. Über diese Zuläufe 8 und 10 kann „frisches” (d. h. kaltes) Kühlmittel an in Strömungsrichtung (Längsrichtung) unterschiedlichen Stellen der wannenartigen Öffnung eingeleitet werden. Die einzelnen Zuläufe 8, 10 sind dabei derart angeordnet, dass frisches Kühlmittel jene Bereiche der Bodenplatte 1 direkt anströmen kann, welche sich direkt unter einer Wärmequelle befinden (z. B. DCB-Substrat 3 mit Leistungshalbleiterbauelementen 6, siehe 1). Direkt angeströmt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Kühlmittel die zu kühlenden Bereiche der Bodenplatte 1 unterhalb einer Wärmequelle erreicht, ohne zuvor von benachbarten Wärmequellen nennenswert vorgewärmt worden zu sein. Ein zusätzlicher Vorteil des Bypass-Kühlsystems ist der deutlich geringere Druckabfall im Vergleich zu einem Standard-Kühlersystem aufgrund des niedrigeren Volumenstroms durch den Strömungskanal 9.
Das untere Teilstück 200'' weist zudem einen Einlass 12 und einen Auslass 13 auf, die die Zu- und Ableitung der Kühlflüssigkeit mit der Oberseite des unteren Teilstücks 200'' verbinden. Dabei sind Einlass 12 und Auslass 13 so ausgestaltet, dass bei Anbringung des unteren Teilstücks 200'' an das obere Teilstück 200' (z. B. durch Kleben oder Schrauben) der Einlass 12 mit dem Zulauf 10 und der Ablauf 11 mit dem Auslass 13 verbunden sind, sodass Kühlflüssigkeit ausgehend von dem Einlass 12 durch den Zulauf 10 in den Strömungskanal 9 fließen und anschließend durch den Ablauf 11 aus dem Auslass 13 abfließen kann.
Zudem weist das untere Teilstück 200'' einen vom Einlass abzweigenden Kanal 14 auf, der zumindest einen Bypass-Kanal 15 aufweist, der mit dem weiteren Zulauf 8 des oberen Teilstücks 200' verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit parallel zum Strömungskanal 9 im abzweigenden Kanal 14 fließt, bis es durch den Bypass-Kanal 15 in den Strömungskanal 9 gelangt. Damit wird frisches (d. h. kaltes und noch nicht vorgewärmtes) Kühlwasser an einer in Längsrichtung dem Auslass näheren Position als dem Einlass in den Strömungskanal 9 injiziert, was für eine effektivere Kühlung der dort befindlichen Kühlstruktur (Kühlrippen 7) sorgt im Vergleich zur Injektion in den Strömungskanal 9 über den Zulauf 10 allein. Die Darstellung in 3 entspricht der Darstellung aus 2, wobei in 3 das Leistungshalbleitermodul und das Kühlsystem zusammengebaut dargestellt sind.

Claims

Ein Leistungshalbleitermodul (50) umfassend: eine Bodenplatte (1) mindestens ein auf der Bodenplatte (1) angeordnetes, zu kühlendes Substrat (3) ein unter der Bodenplatte (1) angeordnetes, zweiteiliges Kühlsystem (200), welches folgendes aufweist: ein oberes Teilstück (200), welches derart ausgebildet ist, dass es mit der Bodenplatte (1) einen Strömungskanal (9) für eine Kühlflüssigkeit bildet, wobei das obere Teilstück (200') einen ersten Zulauf (10) sowie einen Ablauf (11) aufweist, durch die die Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal (9) ein- bzw. ausgeleitet werden kann, und wobei das obere Teilstück (200') mindestens einen zweiten Zulauf (8) aufweist, der in einer Längsrichtung, die entlang des Strömungskanals (9) verläuft, von dem ersten Zulauf (10) beabstandet ist, ein unteres Teilstück (200'') ausgestaltet mit einem Einlass (12) und einem Auslass (13), wobei der Auslass (13) mit dem Ablauf (11) und der Einlass (12) mit dem ersten Zulauf (10) verbunden ist, wobei das untere Teilstück (200'') einen vom Einlass (12) abzweigenden Kanal (14) aufweist, welcher zumindest einen Bypass-Kanal (15) aufweist, der mit dem zweiten Zulauf (8) verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Bypass-Kanal (15) in den Strömungskanal (9) gelangt.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß Anspruch 1, wobei die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit vom Einlass (12) zum Auslass (13) entlang der Längsrichtung des Moduls verläuft.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein zu kühlender Leistungshalbleiter (6) auf dem Substrat aufgebracht ist.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß einem der vorigen Ansprüche, bei dem Kühlrippen (7) unterhalb der Bodenplatte (1) an zu kühlenden Stellen in den Strömungskanal (9) hineinragen und von der Kühlflüssigkeit umspült werden.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Bodenplatte (1) aus Keramik oder Metall besteht.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) umfassend: mindestens ein zu kühlendes Substrat (3) ein unter dem Substrat (3) angeordnetes, zweiteiliges Kühlsystem (200), welches folgendes aufweist: ein oberes Teilstück (200), welches derart ausgebildet ist, dass es mit dem Substrat (3) einen Strömungskanal (9) für eine Kühlflüssigkeit bildet, wobei das obere Teilstück (200') einen ersten Zulauf (10) sowie einen Ablauf (11) aufweist, durch die die Kühlflüssigkeit in den Strömungskanal (9) ein- bzw. ausgeleitet werden kann, und wobei das obere Teilstück (200') mindestens einen zweiten Zulauf (8) aufweist, der in einer Längsrichtung, die entlang des Strömungskanals (9) verläuft, von dem ersten Zulauf (10) beabstandet ist, ein unteres Teilstück (200'') ausgestaltet mit einem Einlass (12) und einem Auslass (13), wobei der Auslass (13) mit dem Ablauf (11) und der Einlass (12) mit dem ersten Zulauf (10) verbunden ist, wobei das untere Teilstück (200'') einen vom Einlass (12) abzweigenden Kanal (14) aufweist, welcher zumindest einen Bypass-Kanal (15) aufweist, der mit dem zweiten Zulauf (8) verbunden ist, sodass ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Bypass-Kanal (15) in den Strömungskanal (9) gelangt.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß Anspruch 6, wobei die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit vom Einlass (12) zum Auslass (13) entlang der Längsrichtung des Moduls verläuft.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Substrat (3) aus Keramik besteht.
Ein Leistungshalbleitermodul (50) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Substrat (3) ein DCB-Substrat ist.