DE102017217537A1

DE102017217537A1 - Leistungsmodul mit integrierter Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102017217537A1
Application number: DE102017217537.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Olesen; Lars Paulsen
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2037-10-03
Also published as: CN111108819B; CN111108819A; WO2019068502A1; DE102017217537B4; US11134587B2; US20200187385A1

Abstract

Elektrische Einrichtung, welche aufweist: ein Leistungsmodul mit einem Schaltungsträger, an welchem eine Schaltkreiskomponente angeordnet ist; eine Kühlstruktur; und eine Zwischenstruktur zwischen dem Schaltungsträger und der Kühlstruktur angeordnet ist, wobei die Kühlstruktur aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist und die Zwischenstruktur aus einem zweiten Metallmaterial mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als dem des ersten Metallmaterials hergestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronikindustrie und insbesondere auf ein elektronisches Leistungsmodul mit integrierter Kühleinrichtung.
Hintergrund
Ein Leistungsmodul mit hoher Leistungsdissipation ist oft flüssigkeitsgekühlt. Die üblichste Art der Realisierung einer Flüssigkeitskühlung ist das Montieren des Leistungsmoduls an eine kalte Platte, z. B. eine Metallplatte mit integrierter Leitung bzw. integrierten Leitungen für eine Fluidströmung. Ein thermisches Zwischenschichtmaterial (TIM) ist zwischen dem Leistungsmodul und der kalten Platte vorgesehen.
Ein Nachteil bei diesem Ansatz mit indirekter Flüssigkeitskühlung ist der relativ hohe thermische Widerstand in dem TIM. Um diesen Nachteil zu überwinden und die thermische Leistungsfähigkeit zu verbessern, muss das TIM eliminiert werden.
Eine Lösung besteht darin, das Kühlmittel in direkten Kontakt mit der zu kühlenden Oberfläche zu bringen. Der üblichste Ansatz für eine direkte Flüssigkeitskühlung ist es, Kühlflügel oder Kühlanschlussflügel auf der zu kühlenden Oberfläche zur Vergrößerung der Fläche in Kontakt mit dem Fluid anzuführen. Die gegenwärtigen Ansätze für direkte Flüssigkeitskühlung leiden jedoch an anderen Nachteilen wie z. B.: (1) die optimale thermische Lösung benötigt eine Kanalbreite, welche kleiner ist als es beim gewöhnlich angewendeten Schmiedeprozess möglich ist; (2) Toleranzen des Bypasses zwischen Kühlanschlussflügel und Wanne ergeben Variationen der Kühlleistung; und (3) die Deformation der Kühlplatte unter einem hohen absoluten Flüssigkeitsdruck in Folge der relativen größeren Kanalbreite:
Es besteht eine Notwendigkeit für eine technische Lösung, die kalte Platte an dem Leistungsmodul ohne die Verwendung der TIM anzubringen und dennoch die thermische Leitfähigkeit und Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung zu verbessern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um zumindest einen Aspekt der oben genannten Nachteile zu überwinden oder zu beseitigen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungsmodul mit integrierter Kühlstruktur bereitzustellen.
In einem Aspekt der Erfindung ist eine elektronische Einrichtung bereitgestellt, welche aufweist: ein Leistungsmodul mit einem Schaltungsträger, auf welchem eine Schaltkreiskomponente angeordnet ist; eine Kühlstruktur; und eine Zwischenstruktur, welche zwischen dem Schaltungsträger und der Kühlstruktur angeordnet ist, wobei die Kühlstruktur aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist und die Zwischenstruktur aus einem zweiten Metallmaterial mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als die des ersten Metallmaterials hergestellt ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist das zweite Metallmaterial einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, welcher geringer ist als der des ersten Metallmaterials.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Kühlstruktur aus Aluminium hergestellt und bei welcher die Zwischenstruktur eine kupferbasierte Struktur aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel weist die kupferbasierte Struktur eine Kupferplatte auf.
In einem Ausführungsbeispiel liegt die Dicke des kupferbasierten Substrats in einem Bereich von 25 µm bis 5 mm.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Zwischenstruktur an die Kühlstruktur geschweißt.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Zwischenstruktur an die untere Oberfläche des Schaltungsträgers durch Löten oder Niederdruck-Silbersintern bondiert.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Schaltungsträger ein Substrat, eine kupfer-direktbondierte Platte oder eine gedruckte Leiterplatte auf.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur auf: ein Gehäuse mit einem Hohlraum; einen Strömungsverteiler, welcher innerhalb des Hohlraumes des Gehäuses angeordnet ist; und eine Deckplatte, welche so ausgebildet ist, dass sie den Hohlraum des Gehäuses abdichtet und an der Zwischenstruktur angebracht ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur auf: einen Hauptkörper, welcher in einem Fluidströmungskanal in einer oberen Oberfläche davon ausgebildet ist; und eine Deckplatte, welche die obere Oberfläche des Hauptkörpers abdeckt, um den Fluidströmungskanal abzudichten, und welche an die Zwischenstruktur angebracht ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur auf: einen Hauptkörper, welcher innerhalb eines Fluidströmungskanals in einer unteren Oberfläche davon ausgebildet ist, eine Oberfläche des Hauptkörpers, welche an der Zwischenstruktur angebracht ist; und eine Deckplatte, welche die untere Oberfläche des Hauptkörpers abdeckt, um den Fluidströmungskanal abzudichten.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur auf: einen ersten plattenförmigen Körper; und einen zweiten plattenförmigen Körper, welcher gegenüber dem ersten plattenförmigen Körper angeordnet ist, wobei der erste plattenförmige Körper an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, welche auf den zweiten plattenförmigen Körper mit einer ersten vorstehenden Struktur weist, der zweite plattenförmige Körper an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, welche auf den ersten plattenförmigen Körper mit einer zweiten vorstehenden Struktur weist, und die ersten und die zweiten vorstehenden Strukturen einen Fluidströmungskanal bilden.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein oberes Ende der ersten vorstehenden Struktur an den zweiten plattenförmigen Körper in einer wasserdichten Art und Weise durch Schweißen bondiert, und ein oberes Ende der zweiten vorstehenden Struktur ist an den ersten plattenförmigen Körper in einer wasserdichten Art und Weist durch Schweißen bondiert.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Schweißen aktives Metallhartlöten auf.
In einem Ausführungsbeispiel weist die erste vorstehende Struktur eine erste Wand, welche sich in einer ersten Richtung erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Wänden auf, welche sich in Richtung auf die zweite vorstehende Struktur erstrecken, weist die zweite vorstehende Struktur eine erste Wand, welche sich in der ersten Richtung erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Wänden auf, welche sich in Richtung auf die erste vorstehende Struktur erstrecken, und die zweiten Wände der ersten vorstehenden Struktur und die zweiten Wände der zweiten vorstehenden Struktur abwechselnd in der ersten Richtung derart angeordnet sind, dass der Fluidströmungskanal gewunden ist.
In einem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Wände der ersten vorstehenden Struktur in gleichen Abständen voneinander um einen Abstand von etwa 5,2 mm beabstandet, sind die zweiten Wände der zweiten vorstehenden Struktur mit gleichem Abstand voneinander um eine Entfernung von etwa 5,2 mm beabstandet, wobei die Dicke jeder der zweiten Wände der ersten und der zweiten vorstehenden Struktur etwa 1,2 mm beträgt.
Figurenliste
Die oberen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch detailliertes Beschreiben von Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:

1 eine veranschaulichende Ansicht ist, welche eine elektrische Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 eine veranschaulichende Ansicht ist, welche eine elektrische Einrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
3 eine veranschaulichende Ansicht ist, welche eine elektrische Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
4 eine veranschaulichende Ansicht ist, welche eine elektrische Einrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
5 eine veranschaulichende Ansicht ist, welche eine elektrische Einrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
6a eine veranschaulichende perspektivische Ansicht ist, welche einen ersten Körper der Kühlstruktur zeigt, welche in 5 gezeigt ist;
6b eine veranschaulichende perspektivische Ansicht ist, welche einen zweiten Körper der Kühlstruktur zeigt, welche in 5 gezeigt ist; und
7 eine illustrative Querschnittansicht entlang der Linie A-A von 5 ist.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugsziffern die gleichen Elemente bezeichnen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in verschiedenen unterschiedlichen Formen verwirklicht sein und sollte nicht als beschränkt auf die hier ausgeführten Ausführungsbeispiele betrachtet werden; vielmehr sind diese Ausführungsbeispiele derart vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung sorgfältig und vollständig ist und vollständig das Konzept der Erfindung dem Durchschnittsfachmann bereitstellt.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Einrichtung bereitgestellt.
1 zeigt eine elektrische Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Einrichtung weist auf: ein Leistungsmodul 100 mit einem Schaltungsträger 101, an welchem eine Schaltkreiskomponente 102 angeordnet ist, eine Kühlstruktur 200; und eine Zwischenstruktur 300, welche zwischen dem Schaltungsträger 101 und der Kühlstruktur 200 angeordnet ist. Die Zwischenstruktur 300 ist an einer unteren Oberfläche des Schaltungsträgers 101 durch Schweißen angebracht oder daran bondiert. Andere Verbindungstechnologien wie z. B. Hartlöten, Löten oder Sintern können ebenfalls angewendet werden. Die Kühlstruktur 200 ist aus einem ersten Metallmaterial hergestellt, und die Zwischenstruktur 300 ist aus einem zweiten Metallmaterial mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als der des ersten Metallmaterials hergestellt.
Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass das Leistungsmodul 100 ein Leistungsmodul jeglichen Typs sein kann, dass der Schaltungsträger 101 z. B. ein Substrat, eine kupfer-direktbondierte Platte (DCB), eine gedruckte Leiterplatte (PCB) oder ähnliches sein, und die Schaltkreiskomponente 102 irgendeine elektrische oder elektronische Komponente sein könnte, wie z. B. ein Chip, eine integrierte Schaltung, ein Mikroprozessor, Halbleiterkomponenten und/oder Drähte und die Anzahl der Schaltkreiskomponenten 102 eine oder mehr als eine sein könnte. In einem typischen Leistungsmodul können Schalterhalbleiter wie z. B. IGBTs, MOS-FETs oder andere aktive Komponenten als die Komponenten 102 verwendet werden, zusammen mit Hilfskomponenten (wie z. B. Dioden, Widerständen etc.), um den effizienten Betrieb der Halbleiter zu ermöglichen.
Mit der Zwischenstruktur, welche aus einem Material mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als im Vergleich mit einer TIM hergestellt ist, kann von dem Leistungsmodul dissipierte Wärme (d. h. dem Schaltungsträger 100) leichter übertragen und in die Zwischenstruktur und gleichmäßiger an die Kühlstruktur verteilt werden. Derweil kann Schweißen einen besseren Kontakt und besseres Bondieren zwischen der Zwischenschicht 300 und dem Schaltungsträger 101 bereitstellen.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaltungsträger 101 ein keramisches Substrat, wobei ein Metallmaterial mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) als das zweite Metallmaterial ausgewählt wird, und insbesondere der thermische Expansionskoeffizient des zweiten Metallmaterials niedriger ist als der des ersten Metallmaterials, und zwar derart, dass eine CTE-Diskrepanz zwischen dem Keramiksubstrat und der Kühlstruktur reduziert werden kann.
Gewöhnlich ist die Kühlstruktur 200 aus Aluminium hergestellt, wodurch die Zwischenstruktur 300 eine kupferbasierte Struktur sein kann, weil Kupfer eine höhere thermische Leitfähigkeit und einen niedrigeren thermischen Expansionskoeffizient als Aluminium aufweist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Zwischenstruktur 300 (oder die kupferbasierte Struktur) eine Kupferplatte sein. Die Kupferplatte kann an die aluminiumbasierte Kühlstruktur durch Schmieden, Schweißen, Löten, Niederdrucksilbersintern oder ähnlichem bondiert werden. Andere Mittel des Bildens einer Kupferplatte können verwendet werden. Z. B. kann die Kupferplatte kaltgasbesprüht, chemisch platiert oder elektroplatiert auf der aluminiumbasierten Kühlstruktur sein.
Die Kupferplatte muss eine derart geeignete Dicke haben, dass Wärme gleichmäßiger über die Kupferplatte verteilt und an die Kühlstruktur 200 übertragen werden kann. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Kupferplatte zwischen 25 µm und 5 mm. Es wird vorgeschlagen, dass die Kupferplatte eine relative größere Dicke aufweist, was nachfolgend erläutert wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Zwischenstruktur an die Kühlstruktur durch Schweißen bondiert sein. Natürlich können andere Metallverbindungsprozesse verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit von den spezifischen Materialien, welche für die Zwischenstruktur und die Kühlstruktur verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Zwischenstruktur an die untere Oberfläche des Schaltungsträgers durch Löten oder Niederdrucksilbersintern bondiert. Im Vergleich mit Schweißen oder anderen Verbindungsverfahren haben Löten und Niederdrucksinterverfahren wenig Einfluss auf die Struktur des Leistungsmodules des Schaltungsträgers. Es versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass der „niedrige Druck“ variieren kann, abhängig von den Materialien, und typischerweise beträgt der niedrige Druck etwa 5 MPa.
Wie in den 1 bis 5 gezeigt, kann die Kühlstruktur unterschiedliche Konfigurationen aufweisen.
In dem Ausführungsbeispiel, welches in 1 gezeigt ist, weist die Kühlstruktur 200 auf: einen Hauptkörper 201, welcher mit Fluidströmungskanälen 230 in einer oberen Oberfläche davon ausgebildet ist; und eine Deckplatte 202 auf, welche die obere Oberfläche des Hauptkörpers 201 abdeckt, um geschlossene Fluidströmungskanäle auszubilden. Die Deckplatte 202 ist an der Zwischenstruktur 300 angebracht.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur 200 auf: einen Hauptkörper 201, welcher mit Fluidströmungskanälen 230 in einer unteren Oberfläche davon ausgebildet ist; und eine Deckplatte 202, welche die untere Oberfläche des Hauptkörpers 201 abdeckt, um geschlossene Fluidströmungskanäle zu bilden. Der Hauptkörper 201 ist an der Zwischenstruktur 300 angebracht.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist dem Ausführungsbeispiel, welches in 1 gezeigt ist, ähnlich, und der einzige Unterschied dazwischen liegt darin, dass die Dicke der Deckplatte 202, welche in 3 gezeigt ist, viel kleiner ist als die Dicke der Deckplatte 202, welche in 1 gezeigt ist. Ein Grund für diesen Unterschied ist der, wenn die Zwischenstruktur 300 fest an die Deckplatte 202 der Kühlstruktur 200 durch beispielsweise Schweißen, Schmieden oder ähnliches bondiert ist, wirken die Zwischenstruktur 300 und die Deckplatte 202 als eine integrierte Komponente, welche eine höhere mechanische Festigkeit als die Deckplatte 202 von 1 gewährleistet. Im Vergleich mit der Deckplatte, welche in 1 gezeigt ist, kann die Deckplatte 202 gemäß 3 deshalb viel dünner hergestellt werden. Dadurch werden die Kosten reduziert, und Wärme von dem Leistungsmodul 100 kann viel schneller an das Kühlfluid übertragen werden, welches durch die Fluidströmungskanäle strömt, und zwar in Folge der Reduzierung der Dicke der Deckplatte, welche eine niedrigere thermische Leitfähigkeit hat.
In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kühlstruktur 200 auf: ein Gehäuse 203 mit einem Hohlraum; einen Strömungsverteiler 204, welcher innerhalb des Hohlraumes des Gehäuses 203 angeordnet ist; und eine Deckplatte 202, welche so ausgebildet ist, dass der Hohlraum des Gehäuses 203 abgedichtet und an der Zwischenstruktur 300 angebracht ist. Der Strömungsverteiler 204 kann hergestellt sein aus Aluminium, Kupfer oder anderen Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit und kann kompatibel mit Metallverbindungsprozessen, wie z. B. ein aktives Metallhartlöten sein. Der Strömungsverteiler 204 kann eine einstückige Komponente sein oder aus mehreren Komponenten bestehen, welche übereinander gestapelt oder Seite an Seite angeordnet sind.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine neue Konfiguration der Kühlstruktur derart bereitgestellt, dass im Vergleich mit konventionellen Kühlstrukturen engere Fluidströmungskanäle erhalten werden können. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Kühlstruktur ist in den 5 bis 7 gezeigt.
Wie in den 5 bis 7 gezeigt, weist die Kühlstruktur 200 auf: einen ersten plattenförmigen Körper 210; und einen zweiten plattenförmigen Körper 220, welcher gegenüber dem ersten plattenförmigen Körper 210 angeordnet ist. Der erste plattenförmige Körper 210 ist an einer Oberfläche davon angeordnet, welche auf den plattenförmigen Körper 220 mit einer ersten vorstehenden Struktur weist, und der zweite plattenförmige Körper 220 ist an einer Oberfläche davon ausgebildet, welche auf den ersten plattenförmigen Körper 210 mit einer zweiten vorstehenden Struktur 221 weist. Wie in 5 gezeigt, wirken, wenn der erste plattenförmige Körper 210 und der zweite plattenförmige Körper 220 miteinander montiert sind, die erste und die zweite vorstehende Struktur miteinander zusammen, um zumindest einen Fluidströmungskanal 230 auszubilden.
In dem Ausführungsbeispiel wird, um sicherzustellen, dass das Kühlfluid entlang eines vorbestimmten Kanals strömt, ein oberes Ende der ersten vorstehenden Struktur 211 gegen die Oberfläche des zweiten plattenförmigen Körpers 220 gedrückt, welcher auf den ersten plattenförmigen Körper 210 weist und in ähnlicher Weise, ein oberes Ende der zweiten vorstehenden Struktur 221 gegen die Oberfläche des ersten plattenförmigen Körpers 210 gepresst wird, welcher auf den ersten plattenförmigen Körper 220 weist, wie in 5 gezeigt. Zusätzlich kann, um eine gute wasserdichte und/oder luftdichte Abdichtung zwischen den oberen Enden der vorstehenden Strukturen 210, 220 und den Oberflächen des ersten und des zweiten plattenförmigen Körpers 210, 220 zu schaffen, ein aktiver Metallhartlötvorgang (AMB) an den Kontaktpositionen zwischen dem ersten plattenförmigen Körper 210 und dem zweiten plattenförmigen Körper 220 durchgeführt werden. AMB ist ein bekannter Prozess, bei welchem eine Reaktion zwischen einem aktiven Element wie z. B. Titan und Hartmetallen, Oxiden oder Nitriden, welche in der zu lötenden Oberfläche vorhanden sind, initiiert werden. Andere aktive Elemente wie z. B. Vanadium, Hafnium, Zirkonium oder Chrom können auch berücksichtigt werden. AMB wird oft in einem Vakuumofen durchgeführt, wo die Umgebungsatmosphäre gesteuert werden kann.
Wie in 6a gezeigt, schließt die erste vorstehende Struktur 211 eine erste Wand 2011, welche sich in einer ersten Richtung erstreckt, und ein Vielzahl von zweiten Wänden 2112 ein, welche sich in eine zweite Richtung erstrecken, welche senkrecht zu der ersten Richtung ist. Es soll festgestellt werden, dass jedoch die Ausrichtungen, welche in 6a gezeigt sind, beispielhaft sind, dass die erste Richtung und die zweite Richtung nicht senkrecht zueinander sein müssen und z. B. die zweite Richtung in einem Winkel von 120° zu der ersten Richtung ausgerichtet sein kann. Der Winkel kann auf Basis gewünschter Strömungscharakteristika bestimmt werden.
Wie in 6b gezeigt, schließt die zweite vorstehende Struktur 221 eine erste Wand 2211, welche sich in der ersten Richtung erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Wänden 2212 ein, welche sich in die zweite Richtung erstrecken. Es versteht sich, dass es eine oder mehrere erste Wände 2011 an dem ersten plattenförmigen Körper 210 und eine oder mehrere erste Wände 2211 an dem zweiten plattenförmigen Körper 220 gibt.
Wie in 7 gezeigt, welche einen Querschnitt (d. h. den mittleren Teil von 7) der Kühlstruktur 200 entlang der Linie A-A von 5 zeigt, sind die ersten Wände 2111 der ersten vorstehenden Struktur 211 und die ersten Wände 2211 der zweiten vorstehenden Struktur 211 abwechselnd in einer Links-Rechts-Richtung ausgebildet. Darüber hinaus ist der untere Teil von 5 ein Querschnitt der Kühlstruktur 200 entlang der Linie B-B von 7, und es ist aus den 5 und 7 ersichtlich, dass die zweiten Wände 2112 der ersten vorstehenden Struktur 211 und die zweiten Wände 2212 der zweiten vorstehenden Struktur 211 abwechselnd in der ersten Richtung ausgebildet sind. Jede zweite Wand 2112 der ersten vorstehenden Struktur 211 erstreckt sich in einem Raum zwischen zwei benachbarten zweiten Wänden 2212 der zweiten vorstehenden Struktur 221, und jede zweite Wand 2212 der zweiten vorstehenden Struktur 221 erstreckt sich in einem Raum zwischen zwei benachbarten zweiten Wänden 2112 der ersten vorstehenden Struktur 211. In einer solchen Art und Weise wird ein gewundener Fluidströmungskanal zwischen einer ersten vorstehenden Struktur 211 und einer benachbarten zweiten vorstehenden Struktur 221 ausgebildet.
Konventionellerweise ist der Fluidströmungskanal in eine aluminiumbasierte Platte durch Gießen, Schmieden, spanend Bearbeiten, 3D-Drucken oder ähnliche Verfahren ausgebildet. Daher gibt es oft eine minimale Grenze für die Breite des Kanals, abhängig von dem verwendeten Verfahren zur Ausbildung des Kanals. Gewöhnlich beträgt eine minimale Breite des Kanals beispielsweise etwa 3 mm. Durch Experimente hat der Erfinder jedoch gefunden, dass eine optimale Kühlwirkung erzielt werden kann, wenn die Breite des Kanals auf etwa 2 mm reduziert wird. Deshalb ist das in den 5 bis 7 gezeigte Ausführungsbeispiel vorgesehen, um dieses technische Problem anzusprechen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches in den 5 bis 7 gezeigt ist, kann jeder des ersten plattenförmigen Körpers 210 und des zweiten plattenförmigen Körpers 210 entsprechend ausgebildet sein. Z. B. kann eine Dicke t von jeder zweiten Wand 2212 des zweiten plattenförmigen Körpers 220 auf 1,2 mm festgelegt werden, und ein Abstand d zwischen benachbarten zweiten Wänden 2112 des ersten plattenförmigen Körpers 210 kann auf 5,2 mm festgelegt werden, somit kann ein Abstand zwischen einer zweiten Wand 2212 und einer benachbarten zweiten Wand 2112 (d. h. die Breite des Kanals) in der direkten Richtung auf 2 mm festgelegt werden. In einer solchen Art und Weise können jede des ersten plattenförmigen Körpers und des zweiten plattenförmigen Körpers 220 durch ein konventionelles Verfahren hergestellt werden, und die Breite des Kanals kann reduziert werden dergestalt, dass ein optimaler Kühleffekt der Kühlstruktur erzielt werden kann.
Es versteht sich auch für einen Durchschnittsfachmann, dass eine Dicke von jeder zweiten Wand 2112 des ersten plattenförmigen Körpers auch auf 1,2 mm festgelegt werden kann, ein Abstand zwischen benachbarten zweiten Wänden 2212 des zweiten plattenförmigen Körpers 220 kann auch auf 5,2 mm festgesetzt werden, und die zweite Wand 2112 kann sich in Richtung auf die erste Wand 2211 erstrecken, jedoch von dieser beabstandet sein durch einen Abstand von 2 mm derart, dass die Breite des gesamten Kanals konstant ist.
Wie in den 6a, 6b und 7 gezeigt, hat der erste plattenförmige Körper 210 eine Einlassöffnung 212 und eine Auslassöffnung 213 und hat in ähnlicher Weise der zweite plattenförmige Körper 220 eine Einlassöffnung 222 und eine Auslassöffnung 223. Kühlfluid kann in die Kühlstruktur 220 von den Einlassöffnungen 212, 222 durch die Kanäle 230 fließen und aus der Kühlstruktur 220 von den Öffnungen 213, 223 nach außen herausfließen. Es gibt auch Trennwände 214, um die Einlassöffnungen von den Auslassöffnungen zu isolieren. Es versteht sich, dass die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen unterschiedliche Formen haben, sie können beispielsweise in einer Seitenwand der Kühlstruktur ausgebildet sein. Die Trennwände 214 können durch eine Struktur ersetzt werden, welche die Öffnungen und die Auslassöffnungen trennt.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden sind, versteht es sich für den Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen in diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, dessen Schutzumfang in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
Bezugszeichenliste

100:: Leistungsmodul
101:: Schaltungsträger
102:: Schaltkreiskomponente
200:: Kühlstruktur
201:: Hauptkörper
202:: Deckplatte
203:: Gehäuse
204:: Strömungsverteiler
210:: erster plattenförmiger Körper
211:: erste vorstehende Struktur
2111:: erste Wand der vorstehenden Struktur
2112:: zweite Wand der vorstehenden Struktur
212:: Einlassöffnung des ersten plattenförmigen Körpers
213:: Auslassöffnung des ersten plattenförmigen Körpers
214:: Trennwand
220:: zweiter plattenförmiger Körper
2211:: erste Wand der zweiten vorstehenden Struktur
2212:: zweite Wand der zweiten vorstehenden Struktur
222:: Einlassöffnung des zweiten plattenförmigen Körpers
223:: Auslassöffnung des zweiten plattenförmigen Körpers
230:: Fluidströmungskanal
300:: Zwischenstruktur
t:: Dicke der zweiten Wand
d:: Abstand zwischen benachbarten zweiten Wänden

Claims

Elektrische Vorrichtung, aufweisend: ein Leistungsmodul mit einem Schaltungsträger, an welchem eine Schaltkreiskomponente angeordnet ist; eine Kühlstruktur; und eine Zwischenstruktur, welche zwischen dem Schaltungsträger und der Kühlstruktur angeordnet ist, wobei die Kühlstruktur aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist und die Zwischenstruktur aus einem zweiten Metallmaterial mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als die des ersten Metallmaterials hergestellt ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das zweite Metallmaterial einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, welcher niedriger ist als der des ersten Metallmaterials.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kühlstruktur aus Aluminium hergestellt ist und bei welcher die Zwischenstruktur eine kupferbasierte Struktur aufweist.
Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die kupferbasierte Struktur eine Kupferplatte aufweist.
Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher eine Dicke des kupferbasierten Substrates im Bereich von 25 µm bis 5 mm liegt.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Zwischenstruktur an die Kühlstruktur geschweißt ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Zwischenstruktur an die untere Oberfläche des Schaltungsträgers durch Löten oder Niederdrucksilbersintern bondiert ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Schaltungsträger entweder ein Substrat, eine kupfer-direktbondierte Platte oder eine gedruckte Leiterplatte aufweist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Kühlstruktur aufweist: ein Gehäuse mit einem Hohlraum; einen Strömungsverteiler, welcher innerhalb des Hohlraums des Gehäuses angeordnet ist; und eine Deckplatte, welche so ausgebildet ist, dass sie den Hohlraum des Gehäuses abdichtet und an der Zwischenstruktur angebracht ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Kühlstruktur aufweist: einen Hauptkörper, welcher mit einem Fluidströmungskanal in seiner oberen Oberfläche ausgebildet ist; und eine Deckplatte, welche die obere Oberfläche des Hauptkörpers abdeckt, um den Fluidströmungskanal abzudichten, und welche an der Zwischenstruktur angebracht ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Kühlstruktur aufweist: einen Hauptkörper, welcher mit einem Fluidströmungskanal in seiner unteren Oberfläche ausgebildet ist, wobei eine obere Oberfläche des Hauptkörpers an der Zwischenstruktur angebracht ist; und eine Deckplatte, welche die untere Oberfläche des Hauptkörpers abdeckt, um den Fluidströmungskanal abzudichten.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Kühlstruktur aufweist: einen ersten plattenförmigen Körper; und einen zweiten plattenförmigen Körper, welcher gegenüber dem ersten plattenförmigen Körper angeordnet ist, wobei der erste plattenförmige Körper an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, welche auf den zweiten plattenförmigen Körper mit einer ersten vorstehenden Struktur weist, der zweite plattenförmige Körper an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, welche auf den ersten plattenförmigen Körper mit einer zweiten vorstehenden Struktur weist, und die erste und die zweite vorstehende Struktur einen Fluidströmungskanal bilden.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher ein oberes Ende der ersten vorstehenden Struktur an dem zweiten plattenförmigen Körper in einer wasserdichten Art durch Schweißen bondiert ist und ein oberes Ende der zweiten vorstehenden Struktur an den ersten plattenförmigen Körper in einer wasserdichten Art durch Schweißen bondiert ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 13, bei welcher das Schweißen ein aktives Metallhartlöten aufweist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die erste vorstehende Struktur eine erste Wand, welche sich in eine erste Richtung erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Wänden aufweist, welche sich in Richtung auf die zweite vorstehende Struktur erstrecken, die zweite vorstehende Struktur eine erste Wand, welche sich in die erste Richtung erstreckt, und eine Vielzahl von zweiten Wänden aufweist, welche sich in Richtung auf die erste vorstehende Struktur erstrecken, und die zweiten Wände der ersten vorstehenden Struktur und die zweiten Wände der zweiten vorstehenden Struktur in der ersten Richtung abwechselnd derart angeordnet sind, dass der Fluidströmungskanal gewunden ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die zweiten Wände der ersten vorstehenden Struktur um einen Abstand von etwa 5,2 mm voneinander gleichbeabstandet sind, die zweiten Wände der zweiten vorstehenden Struktur durch einen Abstand von etwa 5,2 mm voneinander gleichbeabstandet sind, und eine Dicke von jeder der zweiten Wände der ersten und der zweiten vorstehenden Strukturen etwa 1,2 mm beträgt.