DE102014201306A1 - Power electronics module with 3D-made cooler - Google Patents

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DE102014201306A1
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Abstract

Ein erster Erfindungsaspekt führt ein Herstellungsverfahren für ein Leistungselektronikmodul (1) ein. Das erfindungsgemäße Verfahren verfügt wenigstens über folgende Schritte: – Bereitstellen eines Leistungselektronikbauteils (8); und – Auftragen einer Kühlstruktur (9) direkt auf das Leistungselektronikbauteil (8) mittels eines dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens. Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte oder herstellbare Leistungselektronikmodul (1).A first aspect of the invention introduces a manufacturing method for a power electronics module (1). The method according to the invention has at least the following steps: provision of a power electronic component (8); and - applying a cooling structure (9) directly to the power electronic component (8) by means of a three-dimensional layer-by-layer application method. A second aspect of the invention relates to the power electronics module (1) produced or producible by the method according to the invention.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Leistungselektronikmodul und ein mit diesem Herstellungsverfahren hergestelltes oder herstellbares Leistungselektronikmodul. The invention relates to a production method for a power electronics module and to a power electronics module produced or producible with this production method.

Technischer Hintergrund Technical background

Leistungselektronikbauteile werden für vielfältige Anwendungen verwendet, beispielsweise um starke elektrische Ströme innerhalb kurzer Zeiten zu schalten, wie es in Wechselrichtern üblich ist. Solche Leistungselektronikbauteile können eine Vielzahl von Schalttransistoren wie beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) umfassen, die auf einem flächigen Substrat nebeneinander zu einer Leistungselektronikschaltung angeordnet sind. Hierzu findet beispielsweise die DBC- oder auch DCB-Technik (Direct Bonded Copper) weite Verwendung, bei der ein Keramiksubstrat beidseitig mit strukturierten Kupferlagen versehen und die Schalttransistoren auf einer der strukturierten Kupferlagen angeordnet und dadurch zu einer Leistungselektronikschaltung verbunden werden. Power electronics components are used for a variety of applications, for example, to switch strong electrical currents within a short time, as is common in inverters. Such power electronic components may comprise a plurality of switching transistors such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), which are arranged on a flat substrate next to each other to a power electronics circuit. For this purpose, for example, the DBC or DCB technique (Direct Bonded Copper) widely used in which a ceramic substrate provided on both sides with structured copper layers and arranged the switching transistors on one of the structured copper layers and thereby connected to a power electronics circuit.

Aufgrund der hohen fließenden Ströme und zu schaltenden Lasten entsteht dabei Abwärme, die zum Schutz der Leistungselektronikschaltung vor Überhitzung abgeführt werden muss. Hierzu wird das Leistungselektronikbauteil mit einem Kühler zu einem Leistungselektronikmodul kombiniert. Bei der DCB- Technik wird zudem die verbleibende strukturierte Kupferlage für eine Ableitung und Verteilung der punktuell unterschiedlich stark anfallenden Abwärme und für eine Kontrolle der aufgrund der ungleichmäßig verteilten Abwärme entstehenden mechanischen Spannungen verwendet und für diesen Zweck geeignet strukturiert. Due to the high flowing currents and loads to be switched, this generates waste heat, which must be dissipated to protect the power electronics circuit from overheating. For this purpose, the power electronic component is combined with a cooler to form a power electronics module. In the case of the DCB technology, the remaining structured copper layer is also used for the dissipation and distribution of the pointwise different amounts of waste heat and for the control of the resulting due to the unevenly distributed heat dissipation mechanical stresses and structured suitable for this purpose.

Der oder die Kühler eines Leistungselektronikmoduls können auf einer beliebigen Seite eines DCB-Substrates angeordnet sein. Diese Kühler können als Mikrokanalkühler ausgeführt sein, die die Abwärme der Leistungselektronikschaltung aufnehmen und an ein flüssiges Kühlmittel, das den Mikrokanalkühler durchströmt, abgeben. The one or more coolers of a power electronics module can be arranged on any side of a DCB substrate. These coolers can be designed as a microchannel cooler, which absorb the waste heat of the power electronics circuit and deliver to a liquid coolant flowing through the microchannel cooler.

Durch die Kühlmaßnahmen wird eine möglichst hohe Packungsdichte der Leistungselektronikmodule und somit eine möglichst große schaltbare elektrische Leistung in einem gegebenen Volumen erreicht, ohne eine Überhitzung der Leistungselektronikmodule befürchten zu müssen. By the cooling measures the highest possible packing density of the power electronics modules and thus the largest possible switchable electrical power is achieved in a given volume, without having to fear overheating of the power electronics modules.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein verbessertes Herstellungsverfahren für Leistungselektronikmodule und verbesserte Leistungselektronikmodule einzuführen. The invention has for its object to introduce an improved manufacturing method for power electronics modules and improved power electronics modules.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Ein erster Erfindungsaspekt führt daher ein Herstellungsverfahren für ein Leistungselektronikmodul ein. Das erfindungsgemäße Verfahren verfügt wenigstens über folgende Schritte:

  • – Bereitstellen eines Leistungselektronikbauteils; und
  • – Auftragen einer Kühlstruktur direkt auf das Leistungselektronikbauteil mittels eines dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens.
A first aspect of the invention therefore introduces a manufacturing method for a power electronics module. The method according to the invention has at least the following steps:
  • - Providing a power electronics component; and
  • - Applying a cooling structure directly to the power electronics component by means of a three-dimensional layered application method.

Das Verfahren der Erfindung bietet eine Mehrzahl von Vorteilen. So ist es durch die Verwendung eines dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens, wie es aus dem Rapid Prototyping oder dem sogenannten 3D-Drucken bekannt ist, möglich, komplexe Kühlstrukturen aufzubauen, die sich in klassischer Bauart eines Mikrokanalkühlers nicht realisieren ließen. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil sich Durchmesser, Verästelungen und Positionierung von Kühlmittelkanälen in der Kühlstruktur und auch Turbulenzen des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen strömungstechnisch optimieren lassen, so dass eine bestmögliche Verteilung des Kühlmittels entlang der zu kühlenden Oberfläche gemäß den durch die räumliche Anordnung der Leistungselektronikschaltung bedingten Gegebenheiten der Abwärmeverteilung erfolgen kann. Die Kühlmittelkanäle der Kühlstruktur können mit Verfahren der CFD (computational fluid dynamics) berechnet und optimiert werden. The method of the invention offers a number of advantages. Thus, by using a three-dimensional layer-by-layer application method, as it is known from rapid prototyping or so-called 3D printing, it is possible to construct complex cooling structures that could not be realized in the classical design of a microchannel cooler. This is advantageous because the diameter, ramifications and positioning of coolant channels in the cooling structure and also turbulence of the coolant in the coolant channels can be optimized in terms of flow, so that the best possible distribution of the coolant along the surface to be cooled according to the conditional by the spatial arrangement of the power electronics circuit Conditions of the waste heat distribution can take place. The coolant channels of the cooling structure can be calculated and optimized using methods of CFD (computational fluid dynamics).

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in seiner schnellen Durchführung, dass die Produktionszeit verkürzt. Zudem kann ein besonders guter wärmeleitender Kontakt zwischen der Kühlstruktur und dem Leistungselektronikbauteil hergestellt werden, indem die Kühlstruktur direkt auf dem Leistungselektronikbauteil aufgebaut und dadurch mit dem Leistungselektronikbauteil verbunden wird. Im Unterschied hierzu werden die bekannten Kühler mit Wärmeleitpasten oder dergleichen auf die Leistungselektronikbauteile aufgebracht. Dies hat jedoch einen verhältnismäßig schlechten Wärmeleitwert von ungefähr 3 bis 10 W/mK zur Folge. Another advantage of the invention is its rapid implementation that shortens production time. In addition, a particularly good heat-conducting contact between the cooling structure and the power electronics component can be produced by the cooling structure is constructed directly on the power electronics component and thereby connected to the power electronics component. In contrast, the known cooler with thermal paste or the like are applied to the power electronics components. However, this results in a relatively poor thermal conductivity of about 3 to 10 W / mK.

Besonders bevorzugt wird für das dreidimensionale schichtweise Auftragsverfahren ein Pulverauftragsverfahren verwendet. Bei bevorzugten Beispielen solcher Pulverauftragsverfahren werden dünne Pulverschichten eines zu wählenden Materials, meist metallisches Material oder Kunststoff, auf das für das Auftragsverfahren als Substrat dienende Leistungselektronikbauteil aufgetragen und anschließend durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laser- oder Elektronenstrahl, selektiv verhärtet. Indem jede Schicht geeignet selektiv verhärtet wird, entsteht aus der Vielzahl der Schichten schließlich die gewünschte Form der Kühlstruktur. Abschließend wird das Pulver von den nicht verhärteten Stellen entfernt. Particularly preferred for the three-dimensional layer-by-layer application method, a powder application method is used. In preferred examples of such powder application methods, thin powder layers of a material to be selected, usually metallic material or plastic, are applied to the power electronic component serving as substrate for the application process and then selectively hardened by an energy beam, for example a laser or electron beam. By doing Each layer is hardened selectively selectively, arises from the plurality of layers, finally, the desired shape of the cooling structure. Finally, the powder is removed from the non-hardened areas.

Es sind jedoch auch flüssigkeitsbasierte Auftragsverfahren anwendbar, beispielsweise galvanische Verfahren unter Verwendung von photolithographischen Stukturierungsverfahren. However, liquid-based application methods are also applicable, for example galvanic methods using photolithographic patterning methods.

In dem dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahren für den Aufbau der Kühlstruktur kann wenigstens eine Kunststoffschicht oder eine Kunststoffteilschicht aufgetragen werden. Eine solche Kunststoffschicht kann insbesondere in Verbindung mit einer Mehrzahl von metallischen Schichten oder Teilschichten genutzt werden, um die Kühlstruktur elektrisch von dem Leistungselektronikbauteil zu isolieren. Außerdem können etwaige in der Kühlstruktur enthaltene Kühlmittelkanäle auf diese Weise mit Kunststoff beschichtet werden, was dem Korrosionsschutz dienen kann. Dies ist insbesondere bei einem Aufbau der Kühlstruktur aus Kupfer und/oder einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel beziehungsweise wasserhaltigen Kühlmitteln vorteilhaft. Allerdings kann die Beschichtung der Kühlmittelkanäle mit Kunststoff auch mit anderen Verfahren erreicht werden. Ebenso ist es denkbar, die Kühlmittelkanäle aus Aluminium oder einem anderen korrosionsfesten metallischen Material auszuführen. In the three-dimensional layered application method for the construction of the cooling structure, at least one plastic layer or a plastic sublayer can be applied. Such a plastic layer can be used in particular in conjunction with a plurality of metallic layers or partial layers in order to electrically isolate the cooling structure from the power electronic component. In addition, any coolant channels contained in the cooling structure can be coated in this way with plastic, which can serve the corrosion protection. This is particularly advantageous in a structure of the cooling structure made of copper and / or a use of water as a coolant or water-containing coolants. However, the coating of the coolant channels with plastic can also be achieved by other methods. It is also conceivable to carry out the coolant channels made of aluminum or another corrosion-resistant metallic material.

In vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in dem dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahren eine Mehrzahl von unterschiedlichen Materialien in einer ausgewählten Schicht aufgetragen werden. Dies kann beispielsweise für den oben beschriebenen Aufbau von korrosionsfesten Kühlmittelkanälen innerhalb einer Kühlstruktur aus korrosionsanfälligem Material verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, eine Kühlstruktur aus einem gewählten Material (beispielsweise mit besonders guten Wärmeleiteigenschaften) zu deren Schutz mit einem Gehäuse (z.B. aus Edelstahl) zu versehen, indem entsprechend für unterschiedliche Bereiche jeder ausgewählten Schicht die unterschiedlichen Materialien verwendet und strukturiert werden. In advantageous embodiments of the method according to the invention, a plurality of different materials can be applied in a selected layer in the three-dimensional layered application method. This can be used, for example, for the above-described construction of corrosion-resistant coolant channels within a cooling structure of corrosion-prone material. However, it is also conceivable to provide a cooling structure made of a selected material (for example with particularly good heat conduction properties) with a housing (for example made of stainless steel) for protection thereof, by using and structuring the different materials for different areas of each selected layer.

Besonders bevorzugt wird in dem Schritt des Auftragens der Kühlstruktur wenigstens ein Kühlmittelkanal in der Kühlstruktur geformt. Der wenigstens eine Kühlmittelkanal kann mit Anschlüssen für das Kühlmittel versehen sein. Solche Anschlüsse können gegebenenfalls direkt durch das dreidimensionale schichtweise Auftragsverfahren, beispielsweise unter Verwendung eines Kunststoffmaterials, realisiert werden. Particularly preferably, in the step of applying the cooling structure, at least one coolant channel is formed in the cooling structure. The at least one coolant channel may be provided with connections for the coolant. If appropriate, such connections can be realized directly by the three-dimensional layer-by-layer application method, for example using a plastic material.

Der Schritt des Bereitstellens des Leistungselektronikbauteils kann einen Schritt umfassen, in dem ein Leistungshalbleiterchip des Leistungselektronikbauteils durch ein Planares Interconnect-Verfahren kontaktiert wird. Hierbei ist insbesondere das sogenannte SiPLIT-Verfahren (Siemens PLanar Interconnect Technology), wie es beispielsweise in WO03/030247 A2 beschrieben ist, geeignet. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Schalttransistoren (oder sonstigen aktiven Elemente wie Dioden etc.) der Leistungselektronikschaltung direkt und flächig kontaktiert werden, wodurch sich eine im wesentlichen ebene Oberfläche des Leistungselektronikbauteils ergibt, auf die die Kühlstruktur im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen werden kann. Die Kühlstruktur kann jedoch auch (oder zusätzlich) auf die Rückseite des Substrates, also der Leistungselektronikschaltung gegenüberliegend, aufgetragen werden. Dies bietet den Vorteil einer ebenen Substratfläche, auf der die Kühlstruktur einfach aufgebaut werden kann, bringt jedoch bei Verwendung von Substraten mit einer Keramikschicht wie DCB-Substraten oder Aluminiumsubstraten den Nachteil einer durch die Keramikschicht bewirkten Wärmebarriere. The step of providing the power electronic component may include a step in which a power semiconductor chip of the power electronic component is contacted by a planar interconnect method. Here, in particular, the so-called SiPLIT method (Siemens PLanar Interconnect Technology), as for example in WO03 / 030247 A2 is described, suitable. This method has the advantage that the switching transistors (or other active elements such as diodes, etc.) of the power electronics circuit are contacted directly and flatly, resulting in a substantially planar surface of the power electronics component, to which the cooling structure can be applied in the context of the inventive method , However, the cooling structure can also (or additionally) on the back of the substrate, so the power electronics circuit opposite, are applied. This has the advantage of a flat substrate surface on which the cooling structure can be easily constructed, but brings with the use of substrates with a ceramic layer such as DCB substrates or aluminum substrates the disadvantage of caused by the ceramic layer thermal barrier.

Ein weiterer Vorteil der Kombination eines Planaren Interconnect-Verfahrens wie SiPLIT und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Kühlstruktur in besonders geringem Abstand zu den Schalttransistoren angeordnet werden kann. Bei Leistungselektronikschaltungen, die mit dem traditionellen Bonding mittels kurzer Drähte kontaktiert werden, werden diese Drähte üblicherweise durch Aufgießen einer verhältnismäßig dicken, meist silikonhaltigen, Harzschicht mechanisch stabilisiert, was eine bedeutende Wärmebarriere darstellt, die die Kühlung nach oben erheblich erschwert. Im Gegensatz hierzu kann bei Verwendung eines planaren Interconnect-Verfahrens eine verhältnismäßig dünne Isolationsschicht auf das Leistungselektronikbauteil aufgebracht werden, beispielsweise in Form einer auflaminierten Folie, wie sie auch im Rahmen des SiPLIT-Verfahrens verwendet wird, auf der dann direkt die Kühlstruktur aufgebaut wird. Diese Isolationsschicht kann auch im Rahmen des dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens selbst erzeugt werden, wie weiter oben erklärt wird. A further advantage of the combination of a planar interconnect method such as SiPLIT and the method according to the invention is that the cooling structure can be arranged at a particularly small distance from the switching transistors. In power electronics circuits that are contacted with the traditional short-wire bonding, these wires are usually mechanically stabilized by casting a relatively thick, usually silicone-containing, resin layer, which represents a significant thermal barrier, which makes cooling up significantly more difficult. In contrast, when using a planar interconnect method, a relatively thin insulating layer can be applied to the power electronics component, for example in the form of a laminated film, as used in the SiPLIT process, on which the cooling structure is then built up directly. This insulation layer can also be generated in the context of the three-dimensional layer-wise application method itself, as explained above.

Nach dem Schritt des Auftragens der Kühlstruktur kann ein Deckel auf der Kühlstruktur befestigt werden. Dies kann beispielsweise durch Laserschweißen oder entsprechende Verfahren erfolgen. Der Deckel kann dazu dienen, die Kühlstruktur abzuschließen und dadurch zu schützen. Außerdem kann es dazu dienen, offene Kühlmittelkanäle fluidisch abzudichten, wobei freilich Bohrungen in dem Deckel für Kühlmittelzu- und -ableitungen vorgesehen sein können. Es ist aber auch möglich, ein zweites Leistungselektronikmodul auf dem ersten zu befestigen. Hierbei können beide Leistungselektronikmodule räumlich gleich ausgerichtet sein, so dass die Rückseite des einen auf der Vorderseite des anderen befestigt wird, wodurch Stapel von mehreren Leistungselektronikmodulen möglich sind. Solche Stapel ermöglichen eine besonders hohe Packungsdichte. After the step of applying the cooling structure, a lid may be mounted on the cooling structure. This can be done for example by laser welding or appropriate methods. The cover may serve to complete and thereby protect the cooling structure. In addition, it may serve to fluidly seal open coolant channels, although holes may be provided in the cover for coolant supply and discharge lines. But it is also possible to attach a second power electronics module on the first. Here, both power electronics modules can be aligned spatially the same, so that the back one is attached to the front of the other, allowing stacks of multiple power electronics modules. Such stacks enable a particularly high packing density.

Alternativ können die beiden Leistungselektronikmodule voneinander wegweisen, so dass die Kühlstrukturen der beiden Leistungselektronikmodule aufeinander angeordnet werden. Dabei ist es denkbar, die Kühlstrukturen der beiden Leistungselektronikmodule funktional und räumlich miteinander zu verbinden, so dass auch ein Kühlmittelaustausch zwischen den Leistungselektronikmodulen möglich ist. Beispielsweise kann jedes der Leistungselektronikmodule eine obere beziehungsweise untere Hälfte eines einzigen Kühlmittelkanals aufweisen, der durch die Befestigung der beiden Leistungselektronikmodule aneinander vervollständigt wird. Ebenso ist es vorstellbar, dass jede Kühlstruktur als Abdichtung der Kühlmittelkanäle der jeweils anderen Kühlstruktur dient. Alternatively, the two power electronics modules can point away from each other, so that the cooling structures of the two power electronics modules are arranged on top of each other. It is conceivable to connect the cooling structures of the two power electronic modules functionally and spatially, so that a coolant exchange between the power electronics modules is possible. For example, each of the power electronics modules may include an upper and a lower half of a single coolant channel, which is completed by the attachment of the two power electronics modules to each other. It is also conceivable that each cooling structure serves as a seal of the coolant channels of the respective other cooling structure.

Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte oder herstellbare Leistungselektronikmodul. Ein solches Leistungselektronikmodul kann beispielsweise von herkömmlichen anhand der Kristallstruktur der Kühlstruktur, der Formgebung von Kühlmittelkanälen oder der Abwesenheit von Wärmeleitpasten oder -klebern zwischen dem Leistungselektronikbauteil und der Kühlstruktur unterschieden werden. A second aspect of the invention relates to the power electronics module produced or producible by the method according to the invention. Such a power electronics module can be differentiated, for example, from conventional ones based on the crystal structure of the cooling structure, the shaping of coolant channels or the absence of thermal compounds or adhesives between the power electronics component and the cooling structure.

Kurzbeschreibung der Abbildungen Brief description of the pictures

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to illustrations of exemplary embodiments. Show it:

1 eine Querschnittszeichnung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmodul; 1 a cross-sectional drawing through an embodiment of a power electronics module according to the invention;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 2 a second embodiment of the invention; and

3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 a third embodiment of the invention.

Ausführliche Beschreibung der Abbildungen Detailed description of the pictures

1 zeigt eine Querschnittszeichnung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmodul 1. Das Leistungselektronikmodul 1 umfasst ein Leistungselektronikbauteil 8 und eine Kühlstruktur 9, die direkt auf das Leistungselektronikbauteil 8 durch ein dreidimensionales schichtweises Auftragsverfahren aufgebracht worden ist. 1 shows a cross-sectional drawing through an embodiment of a power electronics module according to the invention 1 , The power electronics module 1 includes a power electronics component 8th and a cooling structure 9 directly on the power electronics component 8th has been applied by a three-dimensional layered application method.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Leistungselektronikbauteil 8 als ein SiPLIT-Leistungselektronikbauteil gefertigt, wie es in WO 03/030247 A2 in den 1 und 2 und der Beschreibung auf Seite 9, Zeile 30, bis Seite 13, Zeile 20, die in diese Beschreibung durch Verweis aufgenommen werden, beschrieben wird. Das Leistungselektronikbauteil 8 kann jedoch auch in anderen Fertigungstechniken hergestellt werden. In the exemplary embodiment shown, the power electronic component is 8th manufactured as a SiPLIT power electronic component, as in WO 03/030247 A2 in the 1 and 2 and the description on page 9, line 30, to page 13, line 20, which are incorporated by reference into this specification. The power electronics component 8th However, it can also be produced in other production techniques.

Das SiPLIT-Leistungselektronikbauteil 8 umfasst ein Substrat, das vorliegend als DBC-Substrat einen flächigen Keramikträger 2 aufweist, der auf seinen beiden Seiten mit Kupfermetallisierungen 3 und 4 versehen ist. Die Kupfermetallisierung 4 ist für den Aufbau einer leistungselektronischen Schaltung strukturiert worden. Die gegenüberliegende Kupfermetallisierung 3 kann ebenfalls strukturiert werden, dient jedoch üblicherweise der Verteilung und Ableitung der Abwärme des Leistungselektronikbauteils 8. Auf der strukturierten Kupfermetallisierung 4 sind Halbleiterchips 5 aufgebracht, die die Kupfermetallisierung 4 flächig kontaktieren. Solche Halbleiterchips 5 können beispielsweise IGBTs sein, wie sie für das Schalten von großen Lasten weite Verbreitung haben. Die jeweils freien Oberflächenstellen des Keramikträgers 2, der Kupfermetallisierung 4 und der Halbleiterchips 5 werden gemäß dem SiPLIT-Verfahren mit einer Isolatorfolie 6 bedeckt, die an den gewünschten Stellen beispielsweise per Laser strukturiert wird, um elektrische Anschlüsse der leistungselektronischen Schaltung für die nachfolgende flächige Metallisierung zugänglich zu machen. Mit der flächigen Metallisierung, die beispielsweise in einer Kombination von galvanischen und photolithographischen Schritten erfolgen kann, werden Kontakte und Verbindungen 7 geschaffen, durch die die Halbleiterchips 5 zu der gewünschten leistungselektronischen Schaltung verbunden werden. The SiPLIT power electronics component 8th comprises a substrate, which in the present case as a DBC substrate, a planar ceramic substrate 2 that has copper metallizations on both sides 3 and 4 is provided. The copper metallization 4 has been structured to build a power electronic circuit. The opposite copper metallization 3 can also be structured, but usually serves the distribution and dissipation of the waste heat of the power electronics component 8th , On the textured copper metallization 4 are semiconductor chips 5 applied to the copper metallization 4 contact surface. Such semiconductor chips 5 For example, they can be IGBTs widely used for switching large loads. The respective free surface locations of the ceramic carrier 2 , the copper metallization 4 and the semiconductor chips 5 are prepared according to the SiPLIT method with an insulator film 6 covered, which is structured at the desired locations, for example by laser, to make electrical connections of the power electronic circuit for the subsequent planar metallization accessible. With the surface metallization, which can be done for example in a combination of galvanic and photolithographic steps, contacts and connections 7 created through which the semiconductor chips 5 be connected to the desired power electronic circuit.

Erfindungsgemäß wird direkt auf das Leistungselektronikbauteil 8 unter Verwendung eines dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens eine Kühlstruktur 9 aufgebaut. In dem Beispiel von 1 wird die Kühlstruktur 9 auf die der leistungselektronischen Schaltung gegenüberliegenden Seite des DCB-Substrates aufgebracht. Es ist aber auch möglich, die Kühlstruktur 9 auf die andere oder auf beide Seiten des Substrates aufzubringen. Hierfür kann beispielsweise eine zusätzliche Schicht auf das Leistungselektronikbauteil 8 aufgebracht werden, die eine möglichst ebene Oberfläche für das Auftragen der Kühlstruktur bereitstellt. According to the invention directly to the power electronics component 8th using a three-dimensional layered application method, a cooling structure 9 built up. In the example of 1 becomes the cooling structure 9 applied to the power electronic circuit opposite side of the DCB substrate. But it is also possible, the cooling structure 9 on the other or on both sides of the substrate. For this purpose, for example, an additional layer on the power electronics component 8th be applied, which provides a flat surface as possible for the application of the cooling structure.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die Kühlstruktur 9 einen beispielsweise aus Kupfer geformten Hauptkörper 10, in dem ein Kühlmittelkanal 11 angeordnet ist. Der Hauptkörper 10 ist an seinen Seiten durch eine Umrahmung 16, beispielsweise aus Edelstahl, eingefasst und so mechanisch und chemisch geschützt. Der Hauptkörper 10 wird vorzugsweise gleichzeitig mit der Umrahmung 16 schichtweise aufgetragen, was beispielsweise in einem Pulverauftragsverfahren geschehen kann, in dem für jedes der verwendeten Materialien ein entsprechender Pulverspender zur Verfügung steht. Für jede Schicht werden dabei die entsprechenden Pulver an den gewünschten Stellen aufgetragen und die entstehende Pulverschicht mit einem Energiestrahl wie einem Laser strukturiert, beispielsweise selektiv aufgeschmolzen. In the embodiment shown has the cooling structure 9 a main body formed of, for example, copper 10 in which a coolant channel 11 is arranged. The main body 10 is on its sides by a framing 16 , for example, made of stainless steel, edged and so on mechanically and chemically protected. The main body 10 preferably at the same time as the framing 16 applied in layers, which can be done for example in a powder application process in which a corresponding powder dispenser is available for each of the materials used. For each layer, the corresponding powders are applied at the desired locations and the resulting powder layer is structured with an energy beam such as a laser, for example selectively melted.

Der Kühlmittelkanal 11 besitzt eine Zuleitung 12 und eine Ableitung 13, die lediglich beispielhaft dargestellt sind. Die Erfindung besitzt den Vorteil einer besonders einfachen Fertigung von Kühlstrukturen 9 mit komplexer Geometrie der Kühlmittelkanäle 11, so dass Kühlstrukturen 9 möglich sind, die eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 9 mit Verzweigungen, variierenden Durchmessern und einer größeren Anzahl von Anschlüssen für das Kühlmittel vorsehen. The coolant channel 11 has a supply line 12 and a derivative 13 , which are shown by way of example only. The invention has the advantage of a particularly simple production of cooling structures 9 with complex geometry of the coolant channels 11 , so that cooling structures 9 are possible, the a plurality of coolant channels 9 with branches, varying diameters and a greater number of connections for the coolant.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kühlmittelkanal 11 vorteilhaft mit einer Kunststoffschicht 14 ausgekleidet, die ebenfalls durch das dreidimensionale schichtweise Auftragsverfahren aufgebracht worden sein kann. Es ist aber auch möglich, den Kühlmittelkanal 11 mit einer solchen Kunststoffschicht 14 zu versehen, indem der Kühlmittelkanal 11 nach der Vollendung des Hauptkörpers 10 mit einer Kunststofflösung oder dergleichen durchgespült und aus der Kunststofflösung eine Kunststoffschicht 14 abgeschieden wird. Wird der Hauptkörper 10 der Kühlstruktur hingegen aus Aluminium oder einem anderen korrosionsfesten Material gefertigt, kann eine solche Kunststoffschicht 14 auch entfallen. Ebenso ist es möglich, den Kühlmittelkanal 11 aus einem korrosionsfesten Material, beispielsweise Aluminium, zu fertigen. Die genaue Wahl der Materialien kann nach der Verträglichkeit der verschiedenen Metalle etc. der Kühlstruktur 9, der Metallisierungen des Leistungselektronikbauteils 8 sowie insbesondere auch der Metallisierung 3 des Substrates untereinander vom Fachmann getroffen werden. In the embodiment shown, the coolant channel 11 advantageous with a plastic layer 14 lined, which may also have been applied by the three-dimensional layered application method. But it is also possible, the coolant channel 11 with such a plastic layer 14 provided by the coolant channel 11 after the completion of the main body 10 rinsed with a plastic solution or the like, and from the plastic solution a plastic layer 14 is deposited. Becomes the main body 10 the cooling structure, however, made of aluminum or other corrosion-resistant material, such a plastic layer 14 also omitted. It is also possible, the coolant channel 11 made of a corrosion-resistant material, such as aluminum. The exact choice of materials may depend on the compatibility of the different metals etc. of the cooling structure 9 , the metallization of the power electronics component 8th and in particular the metallization 3 of the substrate to be taken among each other by a person skilled in the art.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kühlstruktur 9 mit einem Deckel 15 versehen, welcher beispielsweise aus Edelstahl hergestellt sein kann. Der Deckel 15 kann mit einem Laserschweißverfahren oder dergleichen befestigt werden und Bohrungen für die Anschlüsse 12, 13 des Kühlmittelkanals 11 aufweisen. Natürlich ist es auch möglich, die Anschlüsse 12, 13 seitlich aus der Kühlstruktur 9 herauszuführen. Anstelle eines Deckels 15 können auch Schichten aus einem widerstandsfähigen Material wie Edelstahl zum Abschluss des dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens aufgebracht werden, die dann als Deckel fungieren. At the in 1 the embodiment shown is the cooling structure 9 with a lid 15 provided, which may be made of stainless steel, for example. The lid 15 can be fixed with a laser welding method or the like and holes for the terminals 12 . 13 of the coolant channel 11 exhibit. Of course it is also possible the connections 12 . 13 laterally from the cooling structure 9 lead out. Instead of a lid 15 For example, layers of a durable material such as stainless steel can be applied to complete the three-dimensional layered application process, which then acts as a lid.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier wurden zwei erfindungsgemäße Leistungselektronikmodule 1 miteinander kombiniert, indem die jeweiligen Kühlstrukturen 9 aufeinander angeordnet wurden. Die Kühlstrukturen 9 können beispielsweise miteinander verschweißt werden. Dieser Aufbau erlaubt eine besonders platzgünstige Anordnung. Um eine größere Anzahl von Leistungselektronikmodulen 1 miteinander zu kombinieren, können mehrere solcher Paare von Leistungselektronikmodulen 1 aufeinander angeordnet werden. 2 shows a second embodiment of the invention. Here were two power electronics modules according to the invention 1 combined together by the respective cooling structures 9 were arranged on top of each other. The cooling structures 9 For example, they can be welded together. This structure allows a particularly space-favorable arrangement. To a larger number of power electronics modules 1 can combine several such pairs of power electronics modules 1 be arranged on top of each other.

In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann durch die Befestigung der Kühlstrukturen 9 aufeinander ein Kühlmittelkanal oder mehrere Kühlmittelkanäle fluidisch bis auf die entsprechenden Anschlüsse abgedichtet werden. Das heißt, während des dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens werden offenliegende Kühlmittelkanäle geformt, die entsprechend spiegelbildlich in beiden Leistungselektronikmodulen 1 vorhanden sind und bei Befestigung der beiden Kühlstrukturen 9 aufeinander vollständige Kühlmittelkanäle bilden. In advantageous embodiments of the invention, by attaching the cooling structures 9 one coolant channel or a plurality of coolant channels are fluidically sealed to the corresponding ports. That is, during the three-dimensional layer-by-layer deposition process, exposed coolant channels are formed, correspondingly mirror-inverted in both power electronics modules 1 are present and when fixing the two cooling structures 9 form mutually complete coolant channels.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei erfindungsgemäße Leistungselektronikmodule 1 aufeinander angeordnet worden sind, indem die Kühlstruktur 9 des einen Leistungselektronikmoduls 1 auf dem Leistungselektronikbauteil 8 des anderen Leistungselektronikmoduls 1 be- festigt wird. Dadurch entsteht eine Stapelstruktur, in der auch mehr als zwei Leistungselektronikmodule 1 kombiniert werden können. 3 shows a third embodiment of the invention, in which two power electronics modules according to the invention 1 have been arranged on each other by the cooling structure 9 of a power electronics module 1 on the power electronics component 8th of the other power electronics module 1 is fastened. This creates a stacked structure, in which more than two power electronics modules 1 can be combined.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Variations may be derived by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 03/030247 A2 [0015, 0025] WO 03/030247 A2 [0015, 0025]

Claims (10)

Ein Herstellungsverfahren für ein Leistungselektronikmodul (1) und mit den Schritten: – Bereitstellen eines Leistungselektronikbauteils (8); und – Auftragen einer Kühlstruktur (9) direkt auf das Leistungselektronikbauteil (8) mittels eines dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahrens. A method of manufacturing a power electronics module ( 1 ) and with the steps: - Provision of a power electronics component ( 8th ); and - applying a cooling structure ( 9 ) directly on the power electronics component ( 8th ) by means of a three-dimensional layer-by-layer application method. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem das dreidimensionale schichtweise Auftragsverfahren ein Pulverauftragsverfahren ist.  The method of the preceding claim, wherein the three-dimensional layer coating method is a powder coating method. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahren für den Aufbau der Kühlstruktur (9) eine Mehrzahl von metallischen Schichten aufgetragen werden. The method of one of the preceding claims, wherein in the three-dimensional layered application method for the construction of the cooling structure ( 9 ) a plurality of metallic layers are applied. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahren für den Aufbau der Kühlstruktur (9) wenigstens eine Kunststoffschicht (14) oder eine Kunststoffteilschicht aufgetragen wird. The method of one of the preceding claims, wherein in the three-dimensional layered application method for the construction of the cooling structure ( 9 ) at least one plastic layer ( 14 ) or a plastic sublayer is applied. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem dreidimensionalen schichtweisen Auftragsverfahren eine Mehrzahl von unterschiedlichen Materialien in einer ausgewählten Schicht aufgetragen wird.  The method of any one of the preceding claims, wherein in the three-dimensional layered application process, a plurality of different materials are applied in a selected layer. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Schritt des Auftragens der Kühlstruktur (9) wenigstens ein Kühlmittelkanal (11) in der Kühlstruktur (9) geformt wird. The method of any one of the preceding claims, wherein in the step of applying the cooling structure ( 9 ) at least one coolant channel ( 11 ) in the cooling structure ( 9 ) is formed. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem der wenigstens eine Kühlmittelkanal (11) im Schritt des Auftragens der Kühlstruktur (9) aus einem Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer, oder aus einem Kunststoff geformt wird. The method of the preceding claim, wherein the at least one coolant channel ( 11 ) in the step of applying the cooling structure ( 9 ) is formed from a metal, in particular aluminum or copper, or from a plastic. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Leistungselektronikbauteils (8) einen Schritt umfasst, in dem ein Leistungshalbleiterchip (5) des Leistungselektronikbauteils (8) durch ein Planares Interconnect-Verfahren kontaktiert wird. The method of one of the preceding claims, wherein the step of providing the power electronics component ( 8th ) comprises a step in which a power semiconductor chip ( 5 ) of the power electronic component ( 8th ) is contacted by a planar interconnect method. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Schritt des Auftragens der Kühlstruktur (9) ein Deckel (15) auf der Kühlstruktur (9) befestigt wird. The method of any one of the preceding claims, wherein after the step of applying the cooling structure ( 9 ) a lid ( 15 ) on the cooling structure ( 9 ) is attached. Ein durch das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche hergestelltes oder herstellbares Leistungselektronikmodul (1). A power electronics module manufactured or producible by the method of any of the preceding claims ( 1 ).
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