DE102015203587A1

DE102015203587A1 - Verfahren zum Herstellen eines leistungselektronischen Systems mit integriertem Wärmetauscher und leistungselektronisches System

Info

Publication number: DE102015203587A1
Application number: DE102015203587.5A
Authority: DE
Inventors: Karl Weidner; Kai Kriegel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01

Abstract

Vorgeschlagen werden Verfahren zum Herstellen leistungselektronischer Systeme (11) mit integriertem Wärmetauscher (1) und leistungselektronische Systeme (11) mit Wärmetauscher (1), die im Aufbau effektiv, kostengünstig und robust sind, so dass sie insbesondere im Automobilbereich einsetzbar sind. Verfahrenstechnisch wird der Wärmetauscher (1) mit einem wärmeleitenden Isolierstoff (6) hoher Güte beschichtet, auf der ein elektrisch leitendes Material (7) hoher Güte strukturiert aufgebracht ist. Darauf sind benötigte Halbleiterbauelemente und/oder Lastanschlüsse und/oder Kontakte und/oder Bauelementeträger und/oder sonstigen Bauelemente (8) und so weiter aufgebracht. Dieser Aufbau wird in ein Gesamtgehäuse verpackt. Ein Kühlmedium (2) wird abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems (11) ausgewählt und eingesetzt. Bei entsprechenden Negationen kann dieses Verfahren zum Erhalt eines leistungselektronischen Systems (11) für Heizzwecke herangezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zum Herstellen eines leistungselektronischen Systems mit integriertem Wärmetauscher und zwei leistungselektronische Systeme mit integriertem Wärmetauscher.
Elektronische Leistungsbauelemente erzeugen Verluste, die weggekühlt werden müssen. Der Aufbau, vor allem im Automobilbereich, soll dabei effektiv, kostengünstig und robust sein.
Es sind mehrere Möglichkeiten für eine Kühlung allgemein bekannt. Als einige Beispiele sind Luft-, Flüssigkeits- und 2-Phasenkühlungsmethoden genannt. Module mit einem integrierten Wärmetauscher, nachfolgend kurz auch als Kühler bezeichnet, sind hocheffizient, aber auch teuer und meistens nicht mit anderen Stoffen im Automobilbau, wie zum Beispiel Kupfer, kompatibel.
Allgemein bekannt ist desweiteren, Leistungsbauelemente in ein Bauteilgehäuse zu verpacken und dieses auf einen Kühler zu platzieren. Das Bauteilgehäuse umfasst dabei in der Regel ein Keramiksubstrat für eine elektrische Isolation, auf das die Bauelemente durch Verfahren wie zum Beispiel Löten, Sintern, TIM (Total Integrated Manufacturing) und so weiter aufgebracht sind.
Weiter allgemein bekannt ist, einen Kühler als ein Aluminiumteil zu fertigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Verfahren zum Herstellen eines leistungselektronischen Systems mit integriertem Wärmetauscher und leistungselektronische Systeme mit integriertem Wärmetauscher anzugeben, wobei die am Ende stehenden leistungselektronischen Systeme im Aufbau effektiv, kostengünstig und robust zu sein haben, so dass sie insbesondere im Automobilbereich einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird bezüglich von Verfahren erfindungsgemäß durch Verfahren gelöst, die die in den unabhängigen Patentansprüchen 1 oder 11 angegebenen Verfahrensschritte aufweisen. Diese Aufgabe wird weiter bezüglich von leistungselektronischen Systemen erfindungsgemäß durch leistungselektronische Systeme gelöst, die die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 16 oder 21 aufweisen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Patentanspruch 1 zum Herstellen des leistungselektronischen Systems mit integriertem Wärmetauscher erfolgt ein Beschichten eines Wärmetauschers hoher Güte mit einem wärmeleitenden Isolierstoff hoher Güte. Weiter erfolgt ein Aufbringen eines elektrisch leitenden Materials hoher Güte auf die Isolierstoffbeschichtung hoher Güte. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Aufbringen von benötigten Halbleiterbauelementen und/oder Lastanschlüssen und/oder Kontakten und/oder Bauelementeträgern und/oder sonstigen Bauelementen und so weiter auf die elektrisch leitende Schicht hoher Güte. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Verpacken des Wärmetauschers mit dem darauf angeordneten Aufbau in ein Gesamtgehäuse. Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Auswählen und Verwenden eines Kühlmittels für den Wärmetauscher abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems.
Gemäß dem erfindungsgemäßen leistungselektronischen System nach Patentanspruch 16 mit integriertem Wärmetauscher weist das erfindungsgemäße leistungselektronische System mit integriertem Wärmetauscher einen Wärmetauscher hoher Güte auf mit einer darauf angeordneten Schicht aus wärmeleitendem Isolierstoff hoher Güte. Auf der Isolierstoffschicht hoher Güte ist eine Schicht mit eingebrachten Leitungs- und Anschlussstrukturen aus elektrisch leitendem Material hoher Güte angeordnet. Auf der strukturierten Schicht mit elektrisch leitendem Material hoher Güte sind Halbleiterbauelemente und/oder Lastanschlüsse und/oder Kontakte und/oder Bauelementeträger und/oder sonstige Bauelemente und so weiter angeordnet. Der Wärmetauscher mit dem darauf angeordneten Aufbau ist in ein Gesamtgehäuse verpackt und für den Wärmetauscher ist in abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems ein Kühlmittel verwendet beziehungsweise eingesetzt.
Ein aufgrund der genannten erfindungsgemäßen Maßnahmen erhaltenes erfindungsgemäßes leistungselektronisches System mit Wärmetauscher hat den Vorteil, dass es im Aufbau effektiv, kostengünstig und robust ist, so dass es insbesondere im Automobilbereich einsetzbar ist. Es kühlt die von den elektronischen Leistungsbauelementen erzeugte Verlustleistung weg und ist kompatibel mit anderen Stoffen wie zum Beispiel Kupfer.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowohl gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1 als auch nach Patentanspruch 16 sind Gegenstand von rückbezogenen Unteransprüchen.
Danach ist Keramik als Isolierstoff für das Beschichten des Wärmetauschers mit einem Isolierstoff hoher Güte verwendet. Keramik ist einerseits hoch isolierend und andererseits gut wärmeleitend. Es hat weiter den Vorteil, dass damit durch Spritzen oder eine andere geeignete Methoden in einfacher Weise ein Beschichten des Wärmetauschers möglich ist. Weiter ist es möglich, darauf Materialien wie Kupfer, Aluminium oder weitere geeignete Materialien als elektrisch leitendes Material hoher Güte aufzubringen. Dabei kann gleichzeitig oder später eine Strukturierung des elektrisch leitenden Materials hoher Güte auf der Isolierstoffbeschichtung zum Herstellen von Leitungs- und Anschlussstrukturen erfolgen.
Auf die elektrisch leitende Beschichtung können dann die benötigten Halbleiterbauelemente und/oder Lastanschlüsse und/oder Kontakte und/oder Bauelementeträger und/oder sonstige Bauelemente wie zum Beispiel Sensoren und so weiter durch zum Beispiel Löten, Sintern oder andere geeignete Methoden aufgebracht werden. Dabei können auch weitere Bauelementeträger und solche Gebilden aufgebracht werden, gegebenenfalls auch mit der Direct Copper Bonded-Methode (DCB). Der thermische Pfad ist in diesem Fall zwar schlechter und es wird zusätzliches Material für den Erhalte einer guten Wärmeleitung benötigt, aber unter Umständen kann der Aufbau insgesamt leichter gehandhabt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Beschichtungs- und der Bestückungsprozess gleich auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers realisiert wird. Hierdurch kann eine Platzersparnis erzielt werden und es können die hohen Verlustleistungen von Halbleitern insbesondere von zum Beispiel so genannten insulated-gate bipolar transistors (IGBT) wirkungsvoll nach außen befördert werden.
Weiter ist es von Vorteil, dass problemlos verschiedene Medien wie zum Beispiel Methanol oder Wasser und so weiter gewählt und eingesetzt werden können, passend zu einem jeweiligen Anwendungsfall.
Durch die gute Kühlung leben die Bauelemente länger und es werden eher weniger/kleinere Bauelemente benötigt.
Für den Aufbau eignet sich besonders eine planare Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) wie zum Beispiel Siemens Planar Interconnect Technology (SiPLIT) zur Chipoberseitenkontaktierung, um den Aufbau kompakt zu halten. Es wird dann kein Weichverguss benötigt.
Es besteht die Möglichkeit der Reduzierung der benötigten Halbleiter und der Materialkosten. Das benötigte Systemvolumen wird verkleinert und die Zuverlässigkeit wird vergrößert.
Die Temperaturverteilung unter den Bauteilen ist gleichmäßig verteilbar und die Wärmeabfuhr ist optimierbar. Die Verwendung des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems ist wartungsfreundlich, arbeitet optimal zuverlässig und ist dicht. Daraus resultiert eine lange Lebensdauer. Außerdem weist es ein geringes Gewicht auf.
Der erfindungsgemäße Aufbau mit der aufgebrachten strukturierten Leiterschicht kann einfach hergestellt werden. Er ist mit einem Automotive-geeigneten Prozess realisierbar, der kostengünstig und effektiv ist.
Für den Wärmetauscher und die Isolierschicht kann gegebenenfalls auf Prozesse aus der Automobilindustrie zurückgegriffen werden.
Treiber, Steuergerät (ECU; electronic control unit) und Zwischenkreis können ebenfalls auf dem Wärmetauscher untergebracht werden, um dort gekühlt zu werden.
Für die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 12 und 21 mit den darauf rückbezogenen Unteransprüchen gilt zur Vermeidung der Textwiederholung und damit zur Vereinfachung des vorliegenden Textes in entsprechender Weise das, was für die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 und 16 mit den darauf rückbezogenen Unteransprüchen gilt, mit dem Unterschied, dass nicht ein Kühleffekt gemeint ist, sondern ein Heizeffekt. Ein Heizeffekt ist dem Grunde nach nichts anderes als ein Kühleffekt mit negativem Vorzeichen, oder umgekehrt, ein Kühleffekt ist ein Heizeffekt mit negativem Vorzeichen. Aus diesem Grunde können die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei entsprechenden negierten Anpassungen sowohl für Kühl- als auch für Heizzwecke verwendet werden.
So wird zum Beispiel für Automobilstandheizungen statt der elektrisch gut leitenden strukturierten oberen Schicht eine elektrisch schlecht leitende unstrukturierte Schicht als eine Heizschicht verwendet. Hierdurch lassen sich Heizelemente in einfacher Weise in großen Stückzahlen realisieren mit entsprechenden verringerten Stückkosten.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Prinzipdarstellung für einen Kühlungsfall, und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Prinzipdarstellung für einen Heizungsfall.
In den Figuren sind gleiche Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren ist ein Wärmetauscher 1 gezeigt, der in der 1 mit einem Kühlmedium 2 und in der 2 mit einem Heizmedium 3 durchflossen ist. Das Kühl- beziehungsweise Heizmedium 2 beziehungsweise 3 wird von einer abseits liegenden Stelle über einen Eingang 4 herangeführt und über einen Ausgang 5 wieder abgeführt. Der Wärmetauscher 1 ist mit einem wärmeleitenden Isolierstoff 6 hoher Güte beschichtet.
In der 1 ist auf den wärmeleitenden Isolierstoff 6 hoher Güte eine Schicht mit gut elektrisch leitendem Material 7 aufgebracht. Die mit diesem Material 7 gebildete Schicht ist strukturiert und mit benötigten Halbleiterbauelementen und/ oder Lastanschlüssen und/oder Kontakten und/oder Bauelementeträgern und/oder sonstigen Bauelementen 8 und so weiter versehen.
In der 2 ist auf den wärmeleitenden Isolierstoff 6 hoher Güte eine Schicht mit schlecht elektrisch leitendem Material 9 als Heizschicht aufgebracht. Auf diese Schicht ist zum Schutz wiederum eine Deckschicht 10 aufgebracht.
Sowohl in der 1 als auch in der 2 ist nicht explizit gezeigt, dass die Wärmetauscher mit ihren Aufbauten in einem Gesamtgehäuse verpackt sind. Außerdem ist sowohl in der 1 das Kühlmedium 2 als auch in der 2 das Heizmedium abhängig von einer Anwendung des jeweils sich ergebenden leistungselektronischen Systems 11 ausgewählt und eingesetzt.
In den 1 und 2 nicht gezeigt aber möglich ist auch die Ausbildung der jeweiligen Aufbauten auf den Wärmetauschern (1) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (1).

Claims

Verfahren zum Herstellen eines leistungselektronischen Systems (11) mit integriertem Wärmetauscher (1), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Beschichten des Wärmetauschers (1) hoher Güte mit einem wärmeleitenden Isolierstoff (6) hoher Güte, – Aufbringen eines elektrisch leitenden Materials (7) hoher Güte auf die Isolierstoffbeschichtung (6), – Aufbringen von benötigten Halbleiterbauelementen und/oder Lastanschlüssen und/oder Kontakten und/oder Bauelementeträgern und/oder sonstigen Bauelementen (8) und so weiter auf die Schicht mit dem elektrisch leitenden Material (7) hoher Güte, – Verpacken des Wärmetauschers (1) mit dem darauf angeordneten Aufbau in ein Gesamtgehäuse, und – Auswählen und Verwenden eines Kühlmediums (2) für den Wärmetauscher (1) abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems (11).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Verwenden einer Keramik als Isolierstoff (6) für das Beschichten des Wärmetauschers (1) mit einem Isolierstoff (6) hoher Güte.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Beschichten des Wärmetauschers (1) mit einem Isolierstoff (6) hoher Güte durch Spritzen oder einer anderen geeigneten Methode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Verwenden von Kupfer, Aluminium oder anderem geeigneten Material als elektrisch leitendes Material (7) hoher Güte für das Aufbringen eines elektrisch leitenden Materials (7) hoher Güte auf die Isolierstoffbeschichtung (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Strukturieren des elektrisch leitenden Materials (7) hoher Güte auf der Isolierstoffbeschichtung (6) zum Herstellen von Leitungs- und Anschlussstrukturen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Strukturieren des elektrisch leitenden Materials (7) hoher Güte auf der Isolierstoffbeschichtung (6) zum Herstellen von Leitungs- und Anschlussstrukturen gleichzeitig mit dem Aufbringen des elektrisch leitenden Materials (7) hoher Güte auf die Isolierstoffbeschichtung (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Aufbringen von benötigten Halbleiterbauelementen und/oder Lastanschlüssen und/oder Kontakten und/oder Bauelementeträgern und/oder sonstigen Bauelementen (8) und so weiter durch Löten, Sintern oder anderen geeigneten Methoden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Aufbringen von Bauelementeträgern und solchen Gebilden mit der Direct Copper Bonded-Methode (DCB).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Ausführen des Beschichtungs- und des Bestückungsprozesses auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Auswählen und Verwenden von Methanol oder Wasser und so weiter als Kühlmedium (2) für den Wärmetauscher (1) abhängig von der Anwendung des leistungselektronischen Systems (11).
Verfahren zum Herstellen eines leistungselektronischen Systems (11) mit integriertem Wärmetauscher (1), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Beschichten des Wärmetauschers (1) hoher Güte mit einem wärmeleitenden Isolierstoff (6) hoher Güte, – Aufbringen eines elektrisch schlecht leitenden Materials (9) als eine Heizschicht, – Aufbringen einer Deckschicht (10) auf die Heizschicht, und – Auswählen und Verwenden eines Heizmediums (3) für den Wärmetauscher (1).
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Verpacken des Wärmetauschers (1) mit dem darauf angeordneten Aufbau in ein Gesamtgehäuse.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Verwenden einer Keramik als Isolierstoff (6) für das Beschichten des Wärmetauschers (1) mit einem Isolierstoff (6) hoher Güte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Beschichten des Wärmetauschers (1) mit einem Isolierstoff (6) hoher Güte durch Spritzen oder einer anderen geeigneten Methode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: – Ausführen des Beschichtungs- und des Bestückungsprozesses auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (1).
Leistungselektronisches Systems (11) mit integriertem Wärmetauscher (1), gekennzeichnet durch – einen Wärmetauscher (1) hoher Güte mit einer darauf angeordneten Schicht aus wärmeleitendem Isolierstoff (6) hoher Güte, – eine Schicht mit eingebrachten Leitungs- und Anschlussstrukturen aus elektrisch leitendem Material (7) hoher Güte angeordnet auf der Isolierstoffschicht (6) hoher Güte, – Halbleiterbauelemente und/oder Lastanschlüsse und/oder Kontakte und/oder Bauelementeträger und/oder sonstige Bauelemente (8) und so weiter angeordnet auf der strukturierten Schicht mit elektrisch leitendem Material (7) hoher Güte, – ein Gesamtgehäuse, in das der Wärmetauscher (1) mit dem darauf angeordneten Aufbau verpackt ist, und – ein Kühlmedium (2) für den Wärmetauscher (1) abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems (11).
System (11) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch – Keramik als Isolierstoff (6) für die Schicht des Wärmetauschers (1) mit Isolierstoff (6) hoher Güte.
System (11) nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch – Kupfer, Aluminium oder anderem geeigneten Material als elektrisch leitendes Material (7) hoher Güte auf der Isolierstoffschicht (6) hoher Güte.
System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch – einen doppelseitigen Aufbau auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (1).
System (11) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch – einen Einsatz von Methanol oder Wasser und so weiter als Kühlmedium (2) für den Wärmetauscher (1) abhängig von einer Anwendung des leistungselektronischen Systems (11).
Leistungselektronisches Systems (11) mit integriertem Wärmetauscher (1), gekennzeichnet durch – einen Wärmetauscher (1) hoher Güte mit einer darauf angeordneten Schicht aus wärmeleitendem Isolierstoff (6) hoher Güte, – einer elektrisch schlecht leitenden Schicht (9) als eine Heizschicht angeordnet auf der Isolierstoffschicht (6) hoher Güte, – eine Deckschicht (10) auf der Heizschicht, und – ein Heizmedium (3) für den Wärmetauscher (1).
System (11) nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch – ein Gesamtgehäuse, in das der Wärmetauscher (1) mit dem darauf angeordneten Aufbau verpackt ist.
System (11) nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch – einen doppelseitigen Aufbau mit Heizschichten auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (1).