DE102016209003B4 - Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines (Halbleiter)-Schalters und mindestens eines Widerstands, sowie Herstellungsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines (Halbleiter)-Schalters und mindestens eines Widerstands, sowie Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (Vor) zum Kühlen mindestens eines Schalters (S1, S2, S3..Sn) und mindestens eines Widerstands (R1, R2, R3..Rm),-mit einem Kühlkörper (KK) mit einer Kühlplatte (KP), mit einer Keramikschicht (KS) und mit einer leitenden Schicht (AL) auf der der Kühlplatte (KP) gegenüberliegenden Seite der Keramikschicht (KS), wobei mindestens eine Aussparung im Kühlkörper (KK) und in der Keramikschicht und in der leitenden Schicht (AL) verläuft;-mit mindestens einem Kühl-Kanal (Kan) zwischen mindestens einem Kühlmittel-Zufluss (Eing) und mindestens einem Kühlmittel-Abfluss (Ausg) für ein Kühlmedium (Kmed), wobei der Kühl-Kanal (Kan) durch den Kühlkörper (KK) verläuft, wobei ein Bereich (StrR) mit Widerständen (R1, R2, R3..Rm) von einem Bereich (KU) mit Schaltern (S1, S2, S3..Sn) thermisch entkoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines (Halbleiter-)Schalters und mindestens eines Widerstands, sowie ein Herstellungsverfahren.
  • DE 10 2011 076 774 A1 offenbart eine Baugruppe, umfassend einen Träger, auf dem Leiterbahnen und elektrische Bauteile angeordnet sind, und einen Kühlkörper, der durch eine erste Lötschichte und eine zweite Lötschichte eine wärmeleitende Verbindung zu dem Träger aufweist. Dazu werden Wärmeleitkleber, z.B. Zweikomponentenklebstoffe auf Epoxidbasis, verwendet.
  • DE 102 04 200 A1 offenbart ein Leistungsmodul als einen Leistungsumrichter für Elektromotoren, umfassend mindestens einen Trägerkörper zur Aufnahme mindestens eines Leistungsbauteils. Der Trägerkörper kann auf einem an ein Kühlsystem angeschlossenen Kühlkörper angeordnet sein.
  • Aus EP 1 630 013 A1 ist eine elektrische Heizvorrichtung zur Lufterwärmung, insbesondere für den Einsatz als elektrische Zusatzheizung in Kraftfahrzeugen, bekannt.
  • DE 10 2005 054 393 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Substrats mit einer Metallbasis, wobei Herstellen durch Ausbilden eines Schaltungsmusters auf der Isolierschicht durch thermisches Sprüh-Beschichten mit einem Metall, das eines der Materialien der Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan und Molybdän enthaltenden Gruppe oder eine Legierung aus zwei oder mehr dieser Materialien ist, erfolgt.
  • DE 197 48 005 A1 beschreibt eine Anordnung zum Übertragen von elektrischen Signalen bei gleichzeitiger thermischer Isolation zwischen einem Modul und weiteren Nachbarmodulen, die auf getrennten Auflagen oder Trägerplatten angeordnet sind.
  • JP S58-17 664 A offenbart eine Verbesserung des Integrationsgrades durch Bildung einer Nut, die sich in der Richtung erstreckt, in der sowohl ein Montagebereich für Heizelemente als auch ein Montagebereich für temperaturabhängige Elemente auf der Rückseite eines isolierenden Verdrahtungssubstrats zwischen beiden Bereichen im Hybrid-IC aufgeteilt sind.
  • EP 1 231 639 A1 beschreibt ein Leistungsmodul, aufweisend einen Halbleiterschalter und einen Glättungskondensator, die auf einem wärmeableitenden metallischen Substrat angeordnet sind. Durch die Ausbildung eines Schlitzes im metallischen Substrat oder durch die Aufteilung des metallischen Substrates wird das Halbleiterschalter-Bereich von dem Glättungskondensator-Bereich thermisch isoliert.
  • Aus GB 2 162 694 A ist eine Leiterplatte, deren Substrat ein wärmeleitendes Metallelement ist, auf dem ein elektrisch isolierender Film ausgebildet ist, bekannt, wobei das Leiterplattenspurmuster auf dem Substrat über dem Film ausgebildet ist.
  • US 4 777 060 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats für elektronische Halbleiterteile. Das Verbundsubstrat hat einen Metallkern, eine Isolierschicht und eine leitende Schicht.
  • US 2011 / 0 049 535 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung umfassend einen ersten gestapelten Körper mit einer ersten Strahlerplatte, einer ersten Isolierschicht, einer ersten leitenden Schicht und einem ersten Halbleiterelement in dieser Reihenfolge enthält; und einen zweiten gestapelten Körper, der eine zweite Strahlerplatte, eine zweite Isolierschicht, eine zweite leitende Schicht und ein zweites Halbleiterelement in dieser Reihenfolge enthält.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlung einer Anordnung mit einem oder mehreren Halbleiterschaltern und einem oder mehreren Widerständen zu optimieren. Die Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben. Ausgestaltungen der Erfindung können als Alternativen zu vorhandenen Lösungen eine einfach herstellbare und effiziente Kühlung von einem oder mehreren Halbleiterschaltern und einem oder mehreren von mindestens einem Schalter geschalteten Widerständen ermöglichen.
  • Zu einigen Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen:
    • Nach Ausgestaltungen der Erfindung kann der Kühlkörper eine Kühlplatte insbesondere aus Aluminium, eine Keramikschicht auf der Kühlplatte und eine leitende Schicht in Form einer Aluminiumschicht auf der der Kühlplatte gegenüber liegenden Seite aufweisen.
  • Der mindestens eine Widerstand kann z.B. ein Leistungswiderstand und/oder ein Heizwiderstand sein.
  • Die Vorrichtung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt sein, z.B. für eine Kfz-Innenraumheizung und/oder thermische Rekuperation und/oder Batterieheizung und/oder Wärmeabfuhr an die Umgebung.
  • Weitere Merkmale und Vorteile einiger vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung.
  • Dabei zeigt zur Veranschaulichung von einigen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung, vereinfachend schematisch:
    • 1 eine Vorrichtung zum Kühlen,
    • 2 ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zum Kühlen.
  • 1 zeigt beispielhaft als eine Ausgestaltung der Erfindung eine Vorrichtung Vor zum Kühlen von einem oder mehreren (n, n= natürliche Zahl) Halbleiter-Schaltern S1, S2, S3..Sn und von diesen schaltbaren (m, m= natürliche Zahl) Widerständen R1, R2, R3..Rm (z.B. Lastwiderständen und/oder Heizwiderständen) durch ein in einem (gestrichelten) Kühlkanal Kan zwischen einem Kühlmittel-Zufluss Eing und einem Kühlmittel-Ausgang Ausg fließendes (flüssiges oder gasförmiges) Kühlmedium Kmed.
    Der dargestellte Kühlkörper KK weist eine Kühlplatte KP insbesondere aus Aluminium, eine Keramikschicht KS auf der Kühlplatte KP und eine leitende Schicht (AL) in Form zb. einer Aluminiumschicht AL auf der der Kühlplatte KP gegenüber liegenden Seite der Keramikschicht auf. Z.B. durch den Kühlkörper KK verläuft der Kühlkanal Kan (oder mehrere Kühlkanäle).
  • Im in der 1 dargestellten Beispiel ist in (z.B. durch eine Kühlmittelpumpeinrichtung KPu und/oder durch die Anordnung des Eingangs Eing und Ausgangs Ausg für Umgebungsluft) vorgesehener Strömungsrichtung SR des Kühlmediums Kmed durch den Kühlkanal Kan der mindestens eine Widerstand (R1, R2, R3 näher dargestellt) hinter dem (und/oder stromabwärts und/oder in 1 rechts von dem) mindestens einen (genauer dargestellten: S1) der (n) (Halbleiter-)Schalter S1..Sn angeordnet, was z.B. vorteilhaft sein kann, wenn der mindestens eine (Heiz-) Widerstand R1, R2, R3..Rm stärker erhitzt und/oder weniger empfindlich für Kühlmittel-Temperatur-Schwankungen oder Eigentemperaturen ist als der oder die (Halbleiter-)Schalter S1, S2, S3..Sn.
  • Das in 1 dargestellte Beispiel einer Vorrichtung Vor wurde insbesondere hergestellt mit einer Kaltspritztechnologie und/oder einer Coldgastechnologie.
  • Z.B. wird (mit Kaltspritztechnologie und/oder einer Coldgastechnologie etc.) auf eine mit mindestens einem Kühl-Kanal Kan ausgebildete Kühlplatte KP aus z.B. Aluminium eine Keramikschicht KE beschichtet,
    auf welcher (KE) auf einer Seite und/oder bereichsweise (Str-R) z.B. eine Aluminiumschicht (AL) und/oder schlechter leitende Materialschicht aufgebracht wird, in der (z.B. durch Ätzen oder Maskieren etc.) eine Struktur (StrR) umfassend mehrere Widerstände R1, R2, R3..Rm (und/oder deren Verbindungen V1, L1, L2, V1, V2 zu mindestens einem Schalter S1 und/oder Spannung V1 und/oder Masse V0) hergestellt wird.
    Z.B. kann die leitende Schicht in Form einer Aluminiumschicht AL eine vorgegebene Struktur StrR (hinsichtlich der z.B. durch Ätzen definierten Widerstände und/oder Verbindungen und/oder Leiter) aufweisen, die und/oder deren Höhe h-AL (und/oder jeweils Breite) z.B. den Widerstandswert der z.B. ohmschen Widerstände R1, R2, R3..Rm definiert.
  • Für die Herstellung einer Vorrichtung Vor wie in 1 wird z.B. ferner (zumindest in einem Bereich (links in 1) und/oder an einigen Stellen auf der der Kühlplatte KP gegenüberliegenden Seite der Keramikschicht KE) auf der Keramikschicht KE (oder auf der Aluminiumschicht AL) eine Kupferschicht KU aufgebracht (und ggf. geätzt), auf der an diesen Stellen ein oder mehrere Halbleiterschalter S1..Sn aufgebracht (z.B. kontaktiert) werden.
    (Halbleiterschalter S1..Sn können z.B. Transistoren, Thyristoren, MOSFETs, IGBTs etc. sein.)
  • In der 1 ist ferner zwischen dem Bereich und/oder der Struktur StrR (welche die Widerstände R1..m bildet) und dem Bereich KU mit den Kontakten für Schalter S1..Sn ein Bereich mit einer Struktur Str-L ausgebildet (z.B. auch geätzt), der einen Leiter oder mehrere Leiter oder mehrere Paare von Leiter(n) L1, L2 aufweist, der oder die z.B. jeweils einen oder wie in 1 mehrere Widerstände R1, R2, R3 mit einem sie schaltenden (Halbleiter-)Schalter S1 und/oder einem Spannungsanschluss (VI oder V0) verbindet oder verbinden.
    Leiter L1, L2 können z.B. auch als Sicherungen ausgebildet sein, z.B. mit aufgrund ihrer Dicke und/oder der Höhe h-AL der Aluminiumschicht AL und/oder ihrer (L1, L2) Breite br definierter Sicherungs-Stromstärke.
  • Es können auch, insbesondere im Bereich Str-L der Leiter L1, L2 insbesondere zur thermischen Entkopplung (des Bereichs StrR mit Widerständen R1..Rm vom Bereich KU mit (Halbleiter-)Schaltern S1..Sn) eine oder mehrere Aussparungen Ausp (wie z.B. die gestrichelte) insb. im Kühlkörper KK und/oder der Keramikschicht KE und/oder der Aluminiumschicht AL und/oder der Kupferschicht KU vorgesehen sein, welche Aussparung (en) z.B. durch Leiter L1, L2 elektrisch leitend überbrückt sein kann bzw. können.
  • In der 1 ist z.B. ferner mindestens ein Halbleiterschalter S1 so mit einem Anschluss für ein Steuersignal Ctrl und/oder einem Anschluss für eine Eingangsspannung V+ und/oder einem Anschluss V0 für eine Ausgangsspannung (z.B. Masse) sowie über Leiter L1, L2 und Verbindungen V1, V2 mit mindestens einem Widerstand (hier R1, R2, R3) verschaltet, dass durch je einen Halbleiterschalter S1 jeweils mindestens ein Widerstand (hier R1, R2, R3) zwischen z.B. eine Eingangsspannung V+ und eine Ausgangsspannung V0 schaltbar ist, so dass der mindestens eine Widerstand solange er so geschaltet ist also z.B. heizt und sonst nicht heizt.
  • Die durch das Kühlmedium KMed aus dem mindestens einen (Halbleiter-)Schalter S1, S2, S3..Sn und dem mindestens einen Widerstand R1, R2, R3..Rm abtransportierte Wärme kann z.B. zum Heizen insbesondere des Innenraums und/oder einer Batterie und/oder eines Motors eines Kraftfahrzeugs Kfz verwendet werden. Durch das Kühlmedium KMed aus dem mindestens einen Halbleiterschalter S1, S2, S3 .. Sn und dem mindestens einen Widerstand R1, R2, R3..Rm abtransportierte Wärme kann insbesondere bei einem Kühlmedium Kmed in Form von Luft aus der Umgebung Umg wieder an die Umgebung Umg abgegeben werden, und/oder das Kühlmedium kann (schematisch dargestellt durch die Entwärmevorrichtung Entw) entwärmt und an eine Kühlmittelpumpvorrichtung Kpu zurückgeführt werden.
  • Wie die 2 zeigt, kann die Vorrichtung Vor ein Kraftfahrzeug Kfz oder Teil eines Kraftfahrzeugs Kfz (insbesondere PKW oder LKW) sein.

Claims (18)

  1. Vorrichtung (Vor) zum Kühlen mindestens eines Schalters (S1, S2, S3..Sn) und mindestens eines Widerstands (R1, R2, R3..Rm), -mit einem Kühlkörper (KK) mit einer Kühlplatte (KP), mit einer Keramikschicht (KS) und mit einer leitenden Schicht (AL) auf der der Kühlplatte (KP) gegenüberliegenden Seite der Keramikschicht (KS), wobei mindestens eine Aussparung im Kühlkörper (KK) und in der Keramikschicht und in der leitenden Schicht (AL) verläuft; -mit mindestens einem Kühl-Kanal (Kan) zwischen mindestens einem Kühlmittel-Zufluss (Eing) und mindestens einem Kühlmittel-Abfluss (Ausg) für ein Kühlmedium (Kmed), wobei der Kühl-Kanal (Kan) durch den Kühlkörper (KK) verläuft, wobei ein Bereich (StrR) mit Widerständen (R1, R2, R3..Rm) von einem Bereich (KU) mit Schaltern (S1, S2, S3..Sn) thermisch entkoppelt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in einer Strömungsrichtung (SR) des Kühlmediums (Kmed) der mindestens eine Widerstand (R1, R2, R3..Rm) hinter oder vor dem mindestens einen Schalter (S1, S2, S3..Sn) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitende Schicht (AL) insbesondere in Form einer Aluminiumschicht (AL) auf der der Kühlplatte (KP) gegenüber liegenden Seite aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitende Schicht eine vorgegebene Struktur (StrR) und/oder Höhe (h-AL) und oder unterschiedlich leitende Materialien aufweist, welche den Widerstandswert des mindestens einen Widerstands oder jeweils eines von mehreren Widerständen (R1, R2, R3..Rm) definiert bzw. definieren.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei insbesondere zur thermischen Entkopplung eine oder mehrere Aussparungen (Ausp) vorhanden ist bzw. sind zwischen einem mit dem einen oder mehreren (m) Widerständen (R1, R2, R3..Rm) verbundenen Bereich (Str-R) des Kühlkörpers (KK) und einem mit dem einen oder mehreren Schaltern (S1, S2, S3..Sn) verbundenen Bereich (KU) des Kühlkörpers (KK).
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen mindestens einem Schalter (S1, S2, S3..Sn) und/oder mindestens einem Spannungsanschluss (V0) und dem mindestens einen Widerstand (R1, R2, R3..Rm) elektrische leitende Leiter (L1, L2) als elektrisch leitende Verbindungen angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Leiter (L1, L2) als Sicherungen ausgebildet ist bzw. sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Schalter (Sl..Sn) so mit einem Anschluss für ein Steuersignal (Ctr) und/oder einem Anschluss für eine Eingangsspannung (V+) und/oder einem Anschluss für eine Ausgangsspannung (V0) und/oder über mindestens einen Leiter (L1, L2) zu mindestens einem Widerstand (R1, R2, R3) verschaltet sind, dass durch je einen Halbleiterschalter (S1) jeweils ein Widerstand (R1) oder mehrere Widerstände (R1, R2, R3) zwischen eine Eingangsspannung (V+) und eine Ausgangsspannung (V0) schaltbar sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (Vor) ein Kraftfahrzeug (Kfz) oder Teil eines Kraftfahrzeugs ((Kfz) ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem insbesondere flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium (Kmed).
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine Widerstand oder die mehreren Widerstände (R1, R2, R3..Rm) jeweils ein Leistungswiderstand und/oder ein Heizwiderstand ist bzw. sind, und/oder wobei ein Schalter (S1, S2, S3..Sn) jeweils ein Halbleiterschalter (S1, S2, S3..Sn) ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Kühlen von einem oder mehreren Schaltern (S1, S2, S3..Sn) und von einem oder mehreren Widerständen (R1, R2, R3..Rm), zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch eine Kaltspritztechnologie und/oder einer Coldgastechnologie die von einem Kühl-Kanal (Kan) durchlaufene Kühlplatte (KP) mit einer Keramikschicht (KE) beschichtet wird, auf welcher (KE) eine leitfähige Schicht (AL) aufgebracht wird, wobei auf der der Kühlplatte (KP) gegenüberliegenden Seite der Schicht eine leitende Schicht (AL) aufgebracht wird, auf der (AL) ein oder mehrere Schalter (S1, S2, S3..Sn) angebracht werden, wobei mindestens eine Aussparung im Kühlkörper (KK) und in der Keramikschicht und in der leitenden Schicht (AL) vorgesehen wird, und ein Bereich (StrR) mit Widerständen (R1, R2, R3..Rm) von einem Bereich (KU) mit Schaltern (S1, S2, S3..Sn) thermisch entkoppelt wird.
  13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine weitere Aluminiumschicht (AL) mit einer vorgegebenen Struktur und/oder Höhe (h-AL) aufgebracht und/oder geätzt wird, welche den Widerstandswert der Widerstände (R1, R2, R3..Rm) definiert bzw. definieren.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei zwischen den Schaltern (S1, S2, S3..Sn) und den Widerständen (R1, R2, R3..Rm) ein oder mehrere elektrisch leitende Leiter (L1, L2) als Verbindungen ausgebildet werden, wobei durch mindestens einen Leiter (L1) ein Schalter (S1) mit durch ihn (S1) geschalteten Widerständen (R1, R2, R3..Rm) elektrisch leitend verbunden wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei in Strömungsrichtung (SR) des Kühlmediums (Kmed) hinter den Schaltern (Sl..Sn) die Leiter (L1, L2) und hinter den Leitern (L1, L2) die Widerstände (R1, R2, R3..Rm) angeordnet werden.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die Leiter (L1, L2) als Sicherungen ausgebildet werden.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei einer oder mehrere der Widerstände (R1, R2, R3..Rm) Leistungswiderstände und/oder Heizwiderstände ist bzw. sind, und/oder wobei ein Schalter (S1, S2, S3..Sn) jeweils ein Halbleiterschalter (S1, S2, S3..Sn) ist.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei ein beschichteter Kühlkörper (KK) nach seiner Beschichtung (KE, AL, KU) in ein Kraftfahrzeug (Kfz) eingebaut wird.
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