DE102014213108B3 - Leistungsmodul mit Fluidkühlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul weist wenigstens einen Leistungshalbleiter, insbesondere Halbleiterschalter, auf. Das Leistungsmodul weist auch ein Gehäuse auf, welches einen Hohlraum umschließt. Der wenigstens eine Leistungshalbleiter ist in dem von dem Gehäuse umschlossenen Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum ist wenigstens teilweise mit einem wärmeleitfähigen Medium gefüllt, wobei das Medium ausgebildet ist, von dem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme an das Gehäuse zu übertragen. Erfindungsgemäß weist das Medium des Leistungsmoduls der eingangs genannten Art eine elektrisch isolierende Flüssigkeit und/oder ein Gas auf, wobei das Gehäuse sich in den Hohlraum erstreckende Vorsprungsbereiche, insbesondere Rippen und/oder Stifte aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul weist wenigstens einen Leistungshalbleiter, insbesondere Halbleiterschalter, auf. Das Leistungsmodul weist auch ein Gehäuse auf, welches einen Hohlraum umschließt. Der wenigstens eine Leistungshalbleiter ist in dem von dem Gehäuse umschlossenen Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum ist wenigstens teilweise mit einem wärmeleitfähigen Medium gefüllt, wobei das Medium ausgebildet ist, von dem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme an das Gehäuse zu übertragen.
  • Aus der DE 3935662 A1 der Anmelderin ist eine elektronische Schaltung bekannt, welche auf einem Substrat angeordnet ist und welche in einem Hohlraum, welcher von einem Gehäuse umschlossen ist, angeordnet ist. Der Hohlraum ist mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt, sodass Wärme von dem Schaltungsträger über die Kühlflüssigkeit an das Gehäuse übertragen werden kann. Als Kühlflüssigkeit wird eine Hydrophobe oder nur gering hygroskopische Flüssigkeit vorgeschlagen.
  • Aus der JP 2013 033 773 A ist ein Halbleiter bekannt, welche in einem mit Hydroflourether teilweise gefüllten Gehäuse angeordnet ist, wobei der Halbleiter durch verdampfen des Kühlmittels gekühlt werden kann.
  • Aus der DE 100 49 397 A1 ist ein flächiger Halbleiter bekannt, welcher mittels einer textilen Metallschicht mit einem Kühlkörper wärmeleitfähig verbunden ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß weist das Medium des Leistungsmoduls der eingangs genannten Art eine elektrisch isolierende Flüssigkeit und/oder ein Gas auf. Bevorzugt weist das Gehäuse sich in den Hohlraum erstreckende Vorsprungsbereiche, insbesondere Rippen und/oder Stifte auf. Die Vorsprungsbereiche sind bevorzugt ausgebildet, eine wärmeaufnehmende Oberfläche des Gehäuses in den Hohlraum hinein zu formen, oder zusätzlich eine Strömung, insbesondere Konvektionsströmung des Mediums zu führen.
  • Mittels der konvektionführenden Rippen kann vorteilhaft eine von dem Leistungshalbleiter erzeugte Verlustwärme gut an das Gehäuse abgegeben werden. Weiter vorteilhaft wird eine dem Medium im Inneren des Gehäuses ausgesetzte Oberfläche durch die Rippen oder Stifte vergrößert, sodass der Wärmeübergang von dem Medium zum Gehäuse hin verbessert ist.
  • Die Stifte weisen bevorzugt einen runden oder quadratischen Querschnitt auf. Die Rippen weisen bevorzugt einen rechteckigen oder ovalen Querschnitt auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrisch isolierende Flüssigkeit Pentaerythritester, insbesondere Pentaerythrittetrafettsäureester auf. Vorteilhaft kann so ein Medium einen hohen Flammpunkt, beispielsweise von mehr als 350 Grad Celsius, aufweisen.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Medium ein Trimethylolpropanester. Das Medium weist so vorteilhaft einen Flammpunkt von mehr als 300 Grad Celsius auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Medium neben dem Pentaerythritester, insbesondere Pentaerythrittetrafettsäureester ein Säurebindemittel auf. Das Säurebindemittel ist beispielsweise ein Carbodiimid. So kann vorteilhaft keine Korrosion von dem Medium an den Leistungshalbleiter, insbesondere an elektrischen Anschlüssen oder an weiteren elektronischen Bauteilen des Leistungsmoduls erzeugt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Medium ein Kältemittel, welches ausgebildet ist, an dem Leistungshalbleiter zu verdampfen und an dem Gehäuse zu kondensieren. So kann vorteilhaft eine Verdampfungsenthalpie des Mediums genutzt werden, um Wärme von dem Leistungshalbleiter abzuführen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kältemittel Propan und/oder Butan auf. Mittels des Kältemittels Propan und/oder Butan kann vorteilhaft Verlustwärme von dem Leistungshalbleiter abgeführt werden, wobei ein in dem Gehäuse herrschender Druck das Kältemittel bei einer Betriebs-Umgebungstemperatur des Leistungsmoduls flüssig halten kann. Vorteilhaft kann so eine Verdampfungswärme des Propans und/oder Butans zum Wärmetransport der Verlustwärme des Leistungshalbeleiters beitragen. Weiter vorteilhaft ist das Medium Propan oder Butan nicht dielektrisch ausgebildet, so dass Kapazitäten in einer auf dem Substrat angeordneten elektronischen Schaltung nicht nachteilig verändert werden können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Kältemittel Kohlendioxid. So kann vorteilhaft ein umweltfreundliches Kältemittel bereitgestellt werden, welches im Falle eines Entweichens aus dem Gehäuse nicht brennbar ist und weiter vorteilhaft – im Vergleich zu chlor- und fluorhaltigen Kältemitteln – keine Zerstörung der Ozonschicht der Erde bewirken kann.
  • Das Gehäuse ist im Falle des Kältemittels Kohlendioxid ausgebildet, einen Druck des Mediums von wenigstens fünf Megapascal standzuhalten und das Medium in dem Gehäuse einzuschließen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leistungshalbleiter mit einem Substrat verbunden. Das Substrat ist beispielsweise ein keramisches Substrat, beispielsweise ein DBC-Substrat (DBC = Direct-Bonded-Copper). So kann vorteilhaft von dem zuvor erwähnten Medium von dem Leistungshalbleiter und zusätzlich von dem Substrat Verlustwärme abgeführt werden, welche beispielsweise von dem Leistungshalbleiter oder von weiteren elektronischen Komponenten, welche mit dem Substrat verbunden sind, erzeugt werden kann. Das keramische Substrat umfasst beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Leistungshalbleiter und/oder dem Substrat ein Federelement angeordnet. Das Federelement ist bevorzugt durch ein insbesondere elektrisch isolierend ausgebildetes Vlies gebildet. Das Vlies ist federnd ausgebildet. Ein Vlies ist ein Verbund von vielen Fasern, welche bevorzugt als Einzelfaser ausgebildet sind. Bei dem Vlies weisen die Einzelfasern bevorzugt keine gemeinsame Ausrichtung auf und sind durch ihre Unordnung miteinander mechanisch verbunden, insbesondere verkettet und/oder verhakt.
  • Anders als zuvor beschrieben können die Einzelfasern jeweils eine gemeinsame Ausrichtung aufweisen und gemeinsam ein Gewebe oder Geflecht bilden.
  • Das Vlies ist bevorzugt ein Keramikvlies, ein Polyestervlies oder – insbesondere im Falle einer vorteilhaften oder geforderten elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise im Falle einer Massekontakt-Abschirmung, gebildet durch das Gehäuse 3 – ein Metallvlies. Das Metallvlies ist beispielsweise ein Kupfervlies. So kann vorteilhaft im Falle des Metallvlieses Verlustwärme an das Medium abgegeben werden und eine Wärmeverteilung der Wärme in dem Hohlraum verbessert werden. Weiter vorteilhaft kann im Falle eines Kältemittels als Medium der Vorgang des Verdampfens im Bereich des Vlieses stattfinden, sodass eine mit dem Verdampfen verbundene Volumenexpansion nicht in Zwischenräumen der Elektronik stattfinden kann und so die mit dem Substrat verbundene Elektronik nicht schädigen kann. Vorteilhaft steht das Vlies mit dem Leistungshalbleiter und/oder dem Substrat wenigstens teilweise in einer wärmeleitenden Verbindung.
  • Weiter vorteilhaft ist das Substrat mit dem Leistungshalbleiter durch ein federnd ausgebildetes Vlies in dem Hohlraum federnd gelagert. So kann der Leistungshalbleiter oder andere elektronische Bauteile, insbesondere Lötverbindungen des Leistungshalbleiters mit dem Substrat, bei einer von außen auf das Leistungsmodul einwirkenden Beschleunigung, einer Erschütterung oder einer Vibration nicht auf das Substrat, den Leistungshalbleiter oder weitere mit dem Substrat verbundene elektronische Komponenten einwirken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsmodul einen in dem Hohlraum angeordneten, geschlossenzelligen Schaum auf, wobei Kavitäten des Schaums jeweils mit einem Gas gefüllt sind.
  • Bevorzugt ist der Schaum durch einen geschlossenzelligen Polyurethanschaum, einen Polyether-Urethanschaum oder ein mikrohohlkugelgefülltes Silikongel gebildet. So kann vorteilhaft im Falle des Mediums als Flüssigkeit eine Wärmeausdehnung der Flüssigkeit kompensiert werden, sodass das Gehäuse nicht platzen kann.
  • Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ermöglicht ein Verfahren zum Abführen von Verlustwärme von einem Leistungshalbleiter, welcher in einem von einem Gehäuse umschlossenen Hohlraum angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird die Verlustwärme von einem eine Flüssigkeit und/oder ein Gas umfassenden in dem Hohlraum gemeinsam mit dem Leistungshalbleiter angeordneten Medium von dem Leistungshalbleiter aufgenommen, wobei das Medium unter Konvektion an das Gehäuse angeformte Vorsprungsbereiche, insbesondere Rippen oder Stifte strömt, und die Wärme wenigstens teilweise an die Vorsprungsbereiche abgibt. So kann der Leistungshalbleiter vorteilhaft von dem Fluid umspült werden, und so besonders effizient Verlustwärme von dem Leistungshalbleiter abgeführt werden.
  • Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den Merkmalen der Figuren und den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • 1 zeigt eine Kühlanordnung, bei der ein Leistungshalbleiter zusammen mit einem mit dem Leistungshalbleiter verbundenen Trägersubstrat in einem mit einem Medium, insbesondere Kühlfluid gefüllten Hohlraum angeordnet ist, wobei Verlustwärme von dem Leistungshalbleiter und/oder dem Substrat an das Medium abgegeben werden kann, und die Verlustwärme weiter von dem Medium an ein den Hohlraum umschließendes Gehäuse und dessen in den Hohlraum weisende Rippen abgeführt werden kann.
  • 1 zeigt eine Kühlanordnung 1. Die Kühlanordnung 1 weist ein Leistungsmodul 2 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Inverter ausgebildet ist. Das Leistungsmodul 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 3, welches einen Hohlraum 5 umschließt.
  • Das Gehäuse 3 weist einen Deckel 6 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel mit Schraubbolzen 7 und 8 mit dem Gehäuse 3 schraubverbunden ist, sodass der Hohlraum 5, welcher von dem Gehäuse 3 umschlossen ist, dicht verschlossen ist.
  • Der Deckel 6 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von sich parallel zueinander, in den Hohlraum 5 hinein erstreckende Rippen auf, von denen eine Rippe 9 beispielhaft bezeichnet ist. Das Gehäuse 3, insbesondere ein Gehäuseboden 4 des Gehäuses 3, weist in diesem Ausführungsbeispiel – wie der Gehäusedeckel 6 – eine Mehrzahl von sich parallel zueinander erstreckenden Rippen auf, welche sich in den Hohlraum 5 hinein erstrecken und von denen eine Rippe 10 beispielhaft bezeichnet ist.
  • Das Leistungsmodul 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch Halbleiterschalter auf, von denen zwei Halbleiterschalter 12 und 13 beispielhaft bezeichnet sind. Die Halbleiterschalter 12 und 13 sind jeweils über ein Lotmittel 33 mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere Kupferschicht verbunden.
  • Die Halbleiterschalter 12 und 13 bilden in diesem Ausführungsbeispiel zusammen eine Halbleiterschalter-Halbbrücke, welche Bestandteil des Inverters 2 sind.
  • Der Inverter 2 kann noch weitere Halbleiterschalter-Halbbrücken aufweisen, im Falle eines Inverters zum Bestromen einer elektrischen Maschine oder eines Elektromotors kann der Inverter 2 für jede Statorspule der elektrischen Maschine eine Halbleiterschalter-Halbbrücke aufweisen.
  • Die Halbleiterschalter 12 und 13 sind jeweils beispielsweise als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOS-FET (MOS-FET = Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) ausgebildet. Die Halbleiterschalter 12 und 13 sind gemeinsam mit einem Substrat 14 verbunden, welches in diesem Ausführungsbeispiel als DBC-Substrat (DBC = Direct-Bonded-Copper) ausgebildet ist. Das DBC-Substrat umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Keramikschicht 15 und eine zu der Keramikschicht 15 parallel angeordnete Keramikschicht 17, welche – nach Art eines Sandwichs – eine Kupferschicht 16 zwischeneinander einschließen.
  • Die Halbleiterschalter-Halbbrücke, gebildet durch die Halbleiterschalter 12 und 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 18 mit einem Anschlussbolzen 19 verbunden. Der Anschlussbolzen 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil einer – gestrichelt dargestellten – elektrischen Verbindung 24, welche das Leistungsmodul 2 mit einer elektrischen Maschine 29 verbindet. Die elektrische Maschine 29 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Rotor 30 und Statorspulen auf, von denen eine Statorspule 31 beispielhaft bezeichnet ist.
  • Das Substrat 14, welches in dem Hohlraum 5 aufgenommen ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels vier Federelementen in dem Hohlraum 5 federnd gelagert.
  • Dazu ist ein Federelement 20 und ein Federelement 21 zwischen dem Substrat 14 und dem Gehäuseboden 4 angeordnet, wobei die Federelemente 20 und 21 von den Rippen wie die Rippe 10 gestützt sind. Die Federelemente 22 und 23 sind zwischen dem Gehäusedeckel 6 und dem Substrat 14 angeordnet, wobei die Federelemente 22 und 23 jeweils gegen die Rippen wie die Rippe 9 stützen.
  • Der Hohlraum 5, insbesondere verbleibende Teile des Hohlraums 5, welche sich zwischen den Rippen 9 und den Rippen 10 und dem Substrat 14 mit den Halbleiterschaltern 12 und 13 erstrecken, sind beispielsweise mit einem Medium 32, insbesondere einem Kühlfluid wie Pentaerythritester gefüllt.
  • So kann vorteilhaft Verlustwärme von den Halbleiterschaltern 12 und 13, an das Kühlmedium abgegeben werden und so über das Kühlmedium weiter zu dem Gehäuse 3, insbesondere den als Rippen wie die Rippen 9 und 10 ausgebildeten Vorsprungsbereichen, geleitet werden. Die Rippen 9 und 10 können dabei eine Oberfläche des Gehäuses in den Hohlraum 5 hinein erweitern oder zusätzlich eine Konvektion des Mediums unterstützen.
  • Anstelle oder zusätzlich zu den Rippen 9 können als Vorsprungsbereiche in den Hohlraum 5 weisende Stifte an das Gehäuse 3 angeformt sein.
  • Die Federelemente 20, 21, 22 und 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Vlies ausgebildet. Das Vlies ist beispielsweise ein Kunststoff-Vlies oder ein Keramik-Vlies. Das Kunststoff-Vlies ist beispielsweise ein Vlies, welches Polyamid-Fasern oder Polyimid-Fasern aufweist.
  • Das Leistungsmodul 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Expansionselement 25 auf, welches in dem Hohlraum 5 angeordnet ist. Das Expansionselement 25 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Schaum, beispielsweise einen Polyurethanschaum oder ein mikrohohlkugelgefülltes Silikongel gebildet.
  • Das Expansionselement 25 ist ausgebildet, federnd komprimiert zu werden und kann so einen in dem Hohlraum 5 ansteigenden Druck, verursacht durch eine Erwärmung des Mediums 32 in dem Hohlraum 5, ausgleichen.
  • Das Expansionselement 25 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Kavitäten auf, von denen eine Kavität 26 beispielhaft bezeichnet ist. Die Kavitäten wie die Kavität 26 sind jeweils mit einem Gas gefüllt.
  • Das Leistungsmodul 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Fluidkanal 27 wärmeleitend verbunden. So kann Wärme von dem Leistungsmodul 2 über das Gehäuse 3, in diesem Ausführungsbeispiel über den Gehäuseboden 4, an ein von dem Fluidkanal 27 geführtes Fluid 28, beispielsweise Kühlwasser, abgeführt werden.
  • Das Gehäuse 3, in diesem Ausführungsbeispiel der Gehäuseboden 4, weist in diesem Ausführungsbeispiel nach außen abweisende Rippen auf, welche sich in diesem Ausführungsbeispiel in den Fluidkanal 27 hinein erstrecken. Der Fluidkanal 27 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine U-förmige Rinne oder Wanne gebildet. Von den Rippen ist eine Rippe 11 beispielhaft bezeichnet.
  • Die von den Halbleiterschaltern 12 und 13 erzeugte Verlustwärme kann so zum Teil an das Substrat 14 abgegeben werden und zum anderen Teil an das Medium 32, welches in dem Hohlraum 5 angeordnet ist und die Halbleiterschalter 12 und 13 und das Substrat 14 umgibt. Die an das Substrat 14 abgegebene Verlustwärme kann von dem Substrat 14 an das Kühlmedium abgegeben werden. Das Medium 32, insbesondere Kühlmedium kann in dem Hohlraum 5 eine Konvektion ausbilden und die Verlustwärme weiter an das Gehäuse 3 abgeben. Das Gehäuse 3 ist beispielsweise durch ein Aluminiumgehäuse gebildet.
  • Das zuvor beschriebene Medium 32, welches in dem Hohlraum 5 angeordnet ist und die Halbleiterschalter 12 und 13 und das Substrat 14 umgibt, kann beispielsweise durch ein Kältemittel gebildet sein. Das Kältemittel ist beispielsweise Propan und/oder Butan oder Kohlendioxid.

Claims (9)

  1. Leistungsmodul (2), mit wenigstens einem Leistungshalbleiter (12, 13) und einem Gehäuse (3), wobei wenigstens der Leistungshalbleiter (12, 13) in einem von dem Gehäuse (3) umschlossenen Hohlraum (5) angeordnet ist, und der Hohlraum (5) wenigstens teilweise mit einem wärmeleitfähigen Medium (32) gefüllt ist, welches ausgebildet ist, von dem Leistungshalbleiter (12, 13) erzeugte Wärme an das Gehäuse (3) zu übertragen, wobei das Medium (32) eine elektrisch isolierende Flüssigkeit und/oder Gas aufweist, und das Gehäuse (3) sich in den Hohlraum erstreckende Vorsprungsbereiche (9, 10) aufweist, welche ausgebildet sind, eine wärmeaufnehmende Oberfläche des Gehäuses (3) in den Hohlraum (5) hinein zu formen, wobei der Leistungshalbleiter (12, 13) mit einem Substrat (14) verbunden ist, und das Substrat (14) mit dem Leistungshalbleiter (12, 13) in dem Hohlraum (5) mittels eines federnd ausgebildeten Vlies (20, 21, 22, 23) federnd gelagert ist.
  2. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Flüssigkeit Pentaerythrittetrafettsäureester umfasst.
  3. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (32) ein Kältemittel umfasst, welches ausgebildet ist, an dem Leistungshalbleiter zu verdampfen und an dem Gehäuse zu kondensieren.
  4. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel Propan und/oder Butan aufweist.
  5. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel Kohlendioxid ist.
  6. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies ein elektrisch isolierend ausgebildetes Vlies ist.
  7. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies ein Keramikvlies ist
  8. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies (20, 21, 22, 23) ein Metallvlies ist.
  9. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies (20, 21, 22, 23) ein Kupfervlies ist.
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