DE102016208119A1 - Heat sink for power semiconductors - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein Kühlkörper (1) für Leistungshalbleiter-Chips (21), welcher durch die Kombination einer Keramik- mit einer Metallkomponente eine kompakte Bauform und besonders gute Wärmeleiteigenschaften gewährleistet.Described is a heat sink (1) for power semiconductor chips (21), which ensures by the combination of a ceramic with a metal component a compact design and very good thermal conduction properties.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Leistungshalbleiter, insbesondere für Leistungshalbleiter-Chips von Stromrichtern. The present invention relates to a heat sink for power semiconductors, in particular for power semiconductor chips of power converters.

Es ist bekannt, dass Leistungsmodule von Wechsel- oder Umrichtern, bestehend aus Leistungshalbleiter-Chips, zur Abführung der Verlustwärme auf einem Kühlkörper befestigt werden. In der Regel werden dafür Metallkühlkörper, insbesondere Aluminium- oder Kupferkühlkörper verwendet, weil diese gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen und preisgünstig sind. Gerade für den Einsatz in luftgekühlten Bauteilen sind sie auch einfach konstruierbar. It is known that power modules of AC or inverter, consisting of power semiconductor chips, are attached to dissipate the heat loss on a heat sink. As a rule, metal heat sinks, in particular aluminum or copper heat sinks, are used because they have good heat conduction properties and are inexpensive. Especially for use in air-cooled components, they are also easy to construct.

Ein Nachteil der Metallkühlkörper ist deren elektrische Leitfähigkeit. So müssen die oben genannten Leistungsmodule eine interne elektrische Isolation aufweisen, die den entsprechenden Normen entspricht. Hierdurch müssen Mindestabstände eingehalten werden, die ihrerseits die Streuinduktivitäten und somit die Schaltverluste erhöhen. A disadvantage of the metal heat sink is their electrical conductivity. Thus, the above-mentioned power modules must have an internal electrical insulation that complies with the relevant standards. As a result, minimum distances must be maintained, which in turn increase the leakage inductances and thus the switching losses.

Für eine bessere thermische Anbindung werden die Leistungshalbleiter-Chips z.B. mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper aufgebracht. Die modulinternen elektrische(n) Isolationsschichten sowie die Wärmeleitpaste bilden trotz ihrer guten thermischen Eigenschaften eine Wärmebarriere. Der Wärmeübergang ist naturbedingt schlechter, als wenn diese Schichten nicht vorhanden wären. Hieraus ergibt sich ein weiterer Nachteil. Der relativ hohe Wärmeübergang führt zu einer konstruktiv größeren Bauweise, damit die Verlustwärme aus den Leistungshalbleiter-Chips entsprechend abgeführt werden kann, ohne dass die Bauelemente überhitzen. Durch die ausladende Bauweise werden Streuinduktivitäten erhöht, die ihrerseits zu erhöhten Schaltverlusten führen. For a better thermal connection, the power semiconductor chips are e.g. applied with thermal grease on the heat sink. The module-internal electrical insulation layers and the thermal compound form a thermal barrier despite their good thermal properties. The heat transfer is inherently worse than if these layers were not present. This results in another disadvantage. The relatively high heat transfer leads to a structurally larger design, so that the heat loss from the power semiconductor chips can be discharged accordingly without the components overheat. The bulky design increases stray inductances, which in turn lead to increased switching losses.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, einen kompakten Aufbau von Kühlkörpern für Leistungshalbleiter anzugeben, welcher hilft, die beschriebenen Schaltverluste zu minimieren. This results in the task of specifying a compact design of heat sinks for power semiconductors, which helps to minimize the described switching losses.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst. This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed in the specification and the claims.

Beschreibung der Erfindung Description of the invention

Der erfindungsgemäße Kühlkörper weist wenigstens zwei Kühlkörperkomponenten und wenigstens ein Wärmerohr auf, wobei eine erste Kühlkörperkomponente eine Keramik und eine zweite Kühlkörperkomponente ein Metall aufweist, wobei der Verdampfungsbereich des Wärmerohrs innerhalb der ersten Kühlkörperkomponente und der Kondensationsbereich des Wärmerohrs innerhalb der zweiten Kühlkörperkomponente angeordnet ist. The heat sink according to the invention has at least two heat sink components and at least one heat pipe, wherein a first heat sink component comprises a ceramic and a second heat sink component comprises a metal, wherein the evaporation region of the heat pipe within the first heat sink component and the condensation region of the heat pipe within the second heat sink component is arranged.

Dieser Kühlkörper ist insbesondere für die Kühlung von Leistungshalbleiter-Chips, z.B. von Wechsel- oder Umrichtern geeignet. Der Kühlkörper hat den Vorteil, dass über das Wärmerohr eine sehr effektive wärmeübertragende Verbindung zwischen den beiden Kühlkörperkomponenten besteht. This heat sink is particularly useful for cooling power semiconductor chips, e.g. Suitable for AC or inverters. The heat sink has the advantage that there is a very effective heat transferring connection between the two heat sink components via the heat pipe.

Unter einem Wärmerohr, auch bekannt als Heatpipe, ist ein Wärmeübertrager zu verstehen, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Der Transport des Arbeitsmediums erfolgt dabei passiv. Der Wärmewiderstand des Wärmerohrs ist kleiner als der der massiven Kühlkörperkomponenten. Bei Wärmeeintrag in den Verdampfungsbereich des Wärmerohrs über die erste Komponente beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Der Dampf strömt zu einer Stelle mit niedrigerer Temperatur, dem Kondensationsbereich des Wärmerohrs. An dieser Stelle erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene Wärme wird über die zweite Komponente an die Umgebung abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt wieder in den Verdampfungsbereich zurück. Under a heat pipe, also known as a heat pipe, a heat exchanger is to be understood, which allows the use of heat of vaporization of a medium, a high heat flux density. The transport of the working medium takes place passively. The thermal resistance of the heat pipe is smaller than that of the massive heat sink components. When heat enters the evaporation zone of the heat pipe via the first component, the working medium begins to evaporate. The steam flows to a lower temperature point, the condensation area of the heat pipe. At this point, the temperature increases due to the released heat of condensation. The previously absorbed heat is released via the second component to the environment. The now liquid working medium returns to the evaporation area.

Zur Kontaktierung einzelner Bauelemente, z.B. von Anschlussfahnen oder Leistungshalbleiter-Chips, ist auf dem Keramikkühlkörper eine elektrisch leitende Schicht aufgetragen, welche z.B. Kupfer enthält. Die Leistungshalbleiter-Chips stellen beispielsweise die Wärmequelle dar. Mindestens ein Leistungshalbleiter-Chip ist in einer beispielhaften Ausführungsform des Kühlkörpers auf der ersten Kühlkörperkomponente aufgebracht, z.B. mittels einer Sinter- oder Lotschicht auf der elektrisch leitenden Schicht, insbesondere einer Kupferschicht. Eine Ausführung der ersten Kühlkörperkomponente als Keramik-Kühlkörper gewährleistet einen sehr kurzen Weg von der Wärmequelle zum Kühlkörper, da keine elektrische Isolierung, wie z.B. zu einem herkömmlichen Aluminium-Kühlkörper, notwendig ist. For contacting individual components, e.g. of terminal lugs or power semiconductor chips, an electrically conductive layer is applied to the ceramic heat sink, which is e.g. Contains copper. For example, the power semiconductor chips are the heat source. In one example embodiment of the heat sink, at least one power semiconductor chip is deposited on the first heat sink component, e.g. by means of a sinter or solder layer on the electrically conductive layer, in particular a copper layer. An embodiment of the first heat sink component as a ceramic heat sink ensures a very short path from the heat source to the heat sink since there is no electrical insulation, e.g. to a conventional aluminum heat sink, is necessary.

Beispielsweise ist das Wärmerohr des Kühlkörpers als röhrenartiger Hohlraum ausgebildet, der sich durch die beiden Kühlkörperkomponenten erstreckt. Die Kühlkörperkomponenten sind in der Regel massiv ausgeführt, aus einer Keramik bzw. aus Kupfer oder Aluminium. Alternativ kann das wenigstens eine Wärmerohr ein schachtförmiger Hohlraum sein. Unter „röhrenartigem Hohlraum“ bzw. „schachtförmigem Hohlraum“ ist zu verstehen, dass dieser in einer Dimension, insbesondere seiner Längenausdehnung mindestens 6 mal so lang ist, wie im Durchmesser bzw. in Breite und Höhe. For example, the heat pipe of the heat sink is formed as a tubular cavity extending through the two heat sink components. The heat sink components are usually solid, made of a ceramic or copper or aluminum. Alternatively, the at least one heat pipe may be a shaft-shaped cavity. By "tubular cavity" or "shaft-shaped cavity" is to be understood that this is at least 6 times as long in one dimension, in particular its longitudinal extent, as in diameter or in width and height.

Die Ausführung des Wärmerohrs als Hohlraum, also als Aussparung in der jeweiligen Kühlkörperkomponente hat vor allem in der ersten Komponente, in der der Wärmeeintrag in das Wärmerohr passiert, den Vorteil, dass nur eine geringe Distanz über das Kühlkörpermaterial vom „Wärmefluss“ überwunden werden muss. Der Abstand Wärmequelle zu Arbeitsmedium im Wärmerohr beträgt insbesondere weniger als 800 µm, bevorzugt maximal 600 µm. Auch wird der thermische Widerstand noch dadurch verringert, dass höchstens fünf, bevorzugt höchstens drei Schichten zu überwinden sind. Das können die Keramik selbst und beispielsweise eine Kupferschicht sein, auf der ein Leistungshalbleiter-Chip beispielsweise aufgelötet oder aufgesintert ist. The design of the heat pipe as a cavity, ie as a recess in the respective heat sink component, especially in the first component, in which the heat input into the heat pipe happens, the advantage that only a small distance on the heat sink material from the "heat flow" must be overcome. The distance from the heat source to the working medium in the heat pipe is in particular less than 800 μm, preferably not more than 600 μm. The thermal resistance is also reduced by the fact that at most five, preferably at most three layers are overcome. This can be the ceramic itself and, for example, a copper layer on which a power semiconductor chip, for example, is soldered or sintered.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kühlkörper in dessen Wärmerohr ein Arbeitsmittel auf, dessen Siedetemperatur zwischen 60°C und 150°C liegt, insbesondere zwischen 80°C und 130°C. Ein Vorteil der niedrigen Verdampfungstemperatur ist der geringe thermische Widerstand bei der Kopplung an herkömmliche, preisgünstige Aluminium- oder Kupfer-Kühlkörper für Luftkühlung. In an advantageous embodiment, the heat sink in the heat pipe to a working fluid whose boiling point is between 60 ° C and 150 ° C, in particular between 80 ° C and 130 ° C. An advantage of the low vaporization temperature is the low thermal resistance associated with conventional, low cost aluminum or copper heat sinks for air cooling.

Als Arbeitsmittel oder Arbeitsmedium wird je nach Temperaturbereich ein Stoff (oder Stoffgemisch) eingesetzt, welcher bei Raumtemperatur flüssig vorliegt. Beispielsweise finden Wasser oder andere typische Kältemittel Anwendung in Wärmerohren. Bevorzugt sind die eingesetzten Arbeitsmittel leicht verdampfbar. Depending on the temperature range, a substance (or substance mixture) which is liquid at room temperature is used as the working medium or working medium. For example, water or other typical refrigerants find application in heat pipes. Preferably, the tools used are easily vaporized.

In unterschiedlichen Ausführungsformen können die Kühlkörperkomponenten beispielsweise über eine Steckverbindung, über eine Klebeverbindung oder über eine Pressverbindung verbunden sein. Die Verbindungsarten können auch kombiniert sein. In various embodiments, the heat sink components may be connected, for example, via a plug connection, via an adhesive connection or via a press connection. The connection types can also be combined.

Insbesondere kann die zweite Kühlkörperkomponente des Kühlkörpers noch Kühlrippen aufweisen, über die eine effektive Wärmeabfuhr an die Umgebung ermöglicht wird, z.B. kombiniert mit einem Lüfter. In particular, the second heat sink component of the heat sink may still have cooling fins, via which an effective heat dissipation to the environment is made possible, e.g. combined with a fan.

Erfindungsgemäß kann ein Stapel von mindestens zwei oben beschriebenen Kühlkörpern gebildet werden. Ein solcher Stapel hat den Vorteil eine Leistungsskalierung durch eine Parallelschaltung der Leistungshalbleiter-Chips zu ermöglichen. According to the invention, a stack of at least two heat sinks described above can be formed. Such a stack has the advantage of enabling a power scaling by a parallel connection of the power semiconductor chips.

Ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben:
Die 1 zeigt einen Kühlkörper 1 mit einer Keramik-Kühlkörperkomponente 2 und einer Metall-Kühlkörperkomponente 3. Die Metall-Komponente 3 weißt Lamellen 31 für die Wärmeabgabe an eine Luftströmung 32 auf. Die Keramik-Komponente 2 ist mit einem Rahmen für Silikon 22 versehen. Auf der Keramik 2 ist wenigstens ein Leistungs-Halbleiterchip 21 aufgebracht. An example of an embodiment of the present invention will be further exemplified with reference to FIGS 1 to 3 described:
The 1 shows a heat sink 1 with a ceramic heat sink component 2 and a metal heat sink component 3 , The metal component 3 know slats 31 for the heat transfer to an air flow 32 on. The ceramic component 2 is with a frame for silicone 22 Mistake. On the ceramics 2 is at least a power semiconductor chip 21 applied.

In der 2 ist der Kühlkörper 1 aus 1 in seine zwei Komponenten 2, 3 aufgetrennt dargestellt, so dass die Wärmerohre 4 im Querschnitt zu sehen sind. Die Komponenten 2, 3 sind zusammensteckbar. In den Bereichen 41 unterhalb der Leistungs-Halbleiterchips 21 (welche die Wärmequellen darstellen) liegen die Verdampfungsbereiche der Wärmerohre 4. Die Kondensationsbereiche 42, also Wärmesenken befinden sich in der Metall-Komponente 3. In the 2 is the heat sink 1 out 1 in its two components 2 . 3 shown separated, so that the heat pipes 4 can be seen in cross section. The components 2 . 3 are pluggable. In the fields of 41 below the power semiconductor chips 21 (which represent the heat sources) are the evaporation areas of the heat pipes 4 , The condensation areas 42 So heat sinks are in the metal component 3 ,

Insbesondere kann ein Leistungs-Chip 21 durch nur 300 µm Kupferschicht, auf der der Chip befestigt ist, und 300 µm Aluminiumnitrid-Keramik 2 vom Arbeitsmittel im Wärmerohr 4 getrennt sein. In particular, a power chip 21 by only 300 μm copper layer, on which the chip is attached, and 300 μm aluminum nitride ceramic 2 from the working fluid in the heat pipe 4 be separated.

Die 3 zeigt einen Kühlkörper-Stapel. The 3 shows a heatsink stack.

Claims (9)

Kühlkörper (1) für Leistungshalbleiter-Chips aufweisend wenigstens zwei Kühlkörperkomponenten (2, 3) und wenigstens ein Wärmerohr (4), wobei eine erste Kühlkörperkomponente (2) eine Keramik und eine zweite Kühlkörperkomponente (3) ein Metall aufweist, wobei der Verdampfungsbereich (41) des Wärmerohrs (4) innerhalb der ersten Kühlkörperkomponente (2) und der Kondensationsbereich (42) des Wärmerohrs (4) innerhalb der zweiten Kühlkörperkomponente (3) angeordnet ist. Heat sink ( 1 ) for power semiconductor chips comprising at least two heat sink components ( 2 . 3 ) and at least one heat pipe ( 4 ), wherein a first heat sink component ( 2 ) a ceramic and a second heat sink component ( 3 ) comprises a metal, wherein the evaporation region ( 41 ) of the heat pipe ( 4 ) within the first heat sink component ( 2 ) and the condensation region ( 42 ) of the heat pipe ( 4 ) within the second heat sink component ( 3 ) is arranged. Kühlkörper (1) nach Anspruch 1 mit wenigstens einem Leistungshalbleiter-Chip, welches auf der ersten Kühlkörperkomponente aufgebracht ist. Heat sink ( 1 ) according to claim 1 with at least one power semiconductor chip, which is applied to the first heat sink component. Kühlkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dessen Wärmerohr (4) als röhrenartiger Hohlraum ausgebildet ist, der sich durch die Kühlkörperkomponenten (2, 3) erstreckt. Heat sink ( 1 ) according to claim 1 or 2, the heat pipe ( 4 ) is formed as a tubular cavity which extends through the heat sink components ( 2 . 3 ). Kühlkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Wärmerohr (4) ein Arbeitsmittel aufweist, dessen Siedetemperatur zwischen 60°C und 130°C liegt, insbesondere zwischen 80°C und 130°C. Heat sink ( 1 ) according to one of the preceding claims, whose heat pipe ( 4 ) has a working fluid whose boiling point is between 60 ° C and 130 ° C, in particular between 80 ° C and 130 ° C. Kühlkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Kühlkörperkomponenten (2, 3) über eine Steckverbindung verbunden sind. Heat sink ( 1 ) according to one of the preceding claims, whose heat sink components ( 2 . 3 ) are connected via a plug connection. Kühlkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dessen Kühlkörperkomponenten (2, 3) über eine Klebeverbindung verbunden sind. Heat sink ( 1 ) according to one of the preceding claims 1 to 4, whose heat sink components ( 2 . 3 ) are connected via an adhesive connection. Kühlkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dessen Kühlkörperkomponenten (2, 3) über eine Pressverbindung verbunden sind. Heat sink ( 1 ) according to one of the preceding claims 1 to 4, whose heat sink components ( 2 . 3 ) are connected via a press connection. Kühlkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen zweite Kühlkörperkomponente (3) Kühlrippen (31) aufweist. Heat sink ( 1 ) according to one of the preceding claims, whose second heat sink component ( 3 ) Cooling fins ( 31 ) having. Stapel von mindestens zwei Kühlkörpern (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche. Stack of at least two heat sinks ( 1 ) according to any one of the preceding claims.
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