DE102018208844B3

DE102018208844B3 - Kühlkörper, Leistungselektronikmodul mit einem Kühlkörper und Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers

Info

Publication number: DE102018208844B3
Application number: DE102018208844.6A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann; Sabine Bergmann; Roland Brey
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2038-06-06

Abstract

Ein Kühlkörper ist mit einem Aluminiumträger (1), einer auf dem Aluminiumträger (1) kaltgasgespritzten Aluminiumschicht (2) und einer auf der Aluminiumschicht (2) kaltgasgespritzten Kupferschicht (3) ausgestattet. Eine Lotschicht (4) verbindet die kaltgasgespritzte Kupferschicht (3) mit einer Kupferkaschierung (5). Die Lotschicht (4) umfasst Kupferkugeln (K), die einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm aufweisen.Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers beschrieben.

Description

Leistungselektronikkomponenten müssen zur Wärmeabfuhr der entstehenden Verlustwärme von Leistungsbausteinen auf eine Wärmesenke montiert werden. Hierbei muss der Werkstoff der Wärmesenke gleichzeitig zum Träger der Leistungselektronik in Bezug auf thermischen Ausdehnungskoeffizienten passen. Bevorzugt werden hier Kühler aus Kupfer oder angepassten Aluminium-Silizium-Karbid verwendet, die in ihrer Herstellung aufwendig bzw. teuer sind.
Eine Offenlegungsschrift DE 10 2011 076 774 A1 beschreibt eine Baugruppe mit einem Träger, auf dem Leiterbahnen und elektrische Bauteile angeordnet sind, und einem Kühlkörper, der eine wärmeleitende Verbindung zu dem Träger aufweist. Die Wärmeabfuhr von den Bauteilen erfolgt über eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Träger, auf welchem die Bauteile angeordnet sind. Hierfür weist der Träger eine für die Wärmeabfuhr ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf und ist mit dem Kühlkörper mit einem Wärmeleitkleber verbunden.
Eine weitere Offenlegungsschrift DE 10 2007 050 405 A1 beschreibt eine elektrische Leistungskomponente, die ein flächiges Substrat als Träger aufweist. An das Substrat ist eine Kühlvorrichtung flächig und wärmeleitend angebunden. Diese Anbindung erfolgt mittels zumindest einer mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugten metallischen Schicht. Auf diese Weise ist eine gute Wärmeabfuhr von der elektrischen Leistungskomponente zur Kühlvorrichtung gewährleistet.
Eine weitere Offenlegungsschrift DE 10 2016 219 565 A1 beschreibt eine Leistungselektronikschaltung, die einen Träger aufweist. Der Träger umfasst eine Isolatorschicht und eine Leiterbahnschicht. Die Isolatorschicht kann aus einem Keramikmaterial oder einem Kunststoff gefertigt sein. Die Oberfläche des Trägers wird von der Oberfläche der Leiterbahnschicht sowie von der Oberfläche des Isolationskörpers gebildet.
Eine weitere Offenlegungsschrift JP 2008-243 878 A beschreibt eine Wärmeableitungsstruktur, die mit einem Oxidfilm und einer Metallschicht versehen ist, wobei die Metallschicht durch ein thermisches Spritzverfahren auf einer Wärmesenke gebildet ist.
Eine weitere Offenlegungsschrift JP 2008-300 455 A beschreibt ein Leistungsmodul mit einem leitfähigen Unterlageelement, einer Lötschicht und einem Halbleiterchip. Das Unterlageelement ist durch einen Schmelzspritzprozess gebildet.
Eine weitere Offenlegungsschrift US 2013 / 0 236 738 A1 beschreibt einen Mehrschichtträger, der ein isolierendes Keramiksubstrat und eine Zwischenschicht aufweist. Dabei ist die Zwischenschicht auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats gebildet und weist eine Hauptkomponentenmetallschicht, eine Wirkstoffschicht sowie eine Metallbeschichtung aufweist, wobei die Metallbeschichtung auf einer Oberfläche der Zwischenschicht gebildet ist.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein thermisch stabiler Kühlkörper vorgesehen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Der Erfindung liegt nun zugrunde, dass mit verschiedenen Lagen von thermisch gespritztem Material in Verbindung mit einem sehr duktilem Lot kupferkaschierten Leiterplatten oder aber auch Keramiken, derart montiert werden, dass der gelötete Gesamtaufbau temperaturwechselbeständig die mechanische Wechselbelastung aufnehmen kann.
Es ist vorgesehen, dass durch das auf Aluminiumträger aufgespritzte im Kaltgasprozess aufgebrachte Aluminium- und Kupferschichten in Verbindung mit der Lotschicht, die Kupferkugeln aufweist, zum Lotpartner hin sehr duktil ist. Somit kann auf teures Material wie ein Kupferkühler oder Aluminium-SiliziumKarbid (AlSiC)-Kühler verzichtet werden.
Es wird ein Kühlkörper mit einem Aluminiumträger vorgeschlagen. Auf dem Aluminiumträger ist eine kaltgasgespritzte Aluminiumschicht vorgesehen, die vorzugsweise direkt an den Aluminiumträger angrenzt. Eine kaltgasgespritzte Kupferschicht ist auf der Aluminiumschicht vorgesehen, die vorzugsweise direkt an die Aluminiumschicht angrenzt. Ferner ist eine Kupferkaschierung vorgesehen, die eine Kupferkaschierung einer Leiterplatte sein kann oder mit einer (weiteren) Kupferkaschierung einer Leiterplatte verbunden sein kann.
Eine Lotschicht verbindet die kaltgasgespritzte Kupferschicht mit der Kupferkaschierung. Die Lotschicht erstreckt sich vorzugsweise von der kaltgasgespritzten Kupferschicht bis zu der Kupferkaschierung. Die Lotschicht ist eine geschmolzene (und wiedererstarrte) Lotpastenschicht, die als eine Lotpastenschicht (d.h. als Grünling) eine Dicke von mindestens 0,5 mm aufweist. Die Lotschicht bzw. Lotpastenschicht umfasst Kupferkugeln. Diese weisen einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm auf. Die Dicke der Lotschicht ist größer als der Durchmesser der Kupferkugeln. Die Dicke der Lotschicht beträgt vorzugsweise mindestens 200%, 300% oder 400% des Durchmessers der Kupferkugeln. Die Kupferkugeln sind insbesondere Hohlkugeln oder Vollkugeln. Die Kupferkugeln haben eine Oberfläche aus Kupfer. Die Oberfläche kann eine Kupferschicht sein, die auf einem Kugelkörper angeordnet ist. Der Kugelkörper kann hohl sein oder aus Vollmaterial bestehen. Der Kugelkörper kann aus Kupfer beschaffen sein oder aus einem anderen Material. Es ist ferner möglich, dass die Kupferkugeln im Wesentlichen aus Kupfer bestehen oder aus einer Kupferlegierung.
Die Lotschicht weist insbesondere eine Dicke von mindestens 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm oder 0,5 mm auf. Die Lotschicht ist üblicherweise dünner als die Lotpastenschicht, aus der diese hervorgeht. Die Lotpastenschicht (als Grünling), aus der die Lotschicht hervorgeht, wird vorzugsweise mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm aufgebracht. Die Lotschicht ist vorzugsweise eine mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm (vorzugweise auf die Kupferschicht) aufgebrachte, dann geschmolzene und wiedererstarrte Lotpastenschicht, insbesondere eine die genannten Kupferkugeln umfassende Lotpastenschicht („Lotpastengrünling“).
Die Aluminiumschicht weist vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0,5 mm auf.
Die Kupferschicht weist vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0,1 mm auf.
Der Kühlkörper kann mit einer Schaltung bestückt sein, und kann so ein Leistungselektronikmodul mit Kühlkörper bilden. Die Schaltung weist vorzugsweise ist eine Leiterplatte auf. Die Kupferkaschierung kann eine Kupferkaschierung der Leiterplatte sein. Alternativ kann die Kupferkaschierung mit einer weiteren Kupferkaschierung verbunden sein, etwa einer Leiterplatte. Zudem kann die Kupferkaschierung mit einem (elektrisch isolierenden) Substrat, etwa der Leiterplatte verbunden sein.
Die Leiterplatte kann mit mindestens einem Leistungshalbleiter bestückt sein.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines wie hier beschriebenen Kühlkörpers erwähnt. Das Verfahren sieht folgende Schritte vor:

Kaltgasspritzen der Aluminiumschicht auf den Aluminiumträger und Kaltgasspritzen der Kupferschicht auf die Aluminiumschicht. Es wird ferner eine Lotpastenschicht auf die Kupferschicht aufgebracht. Die Lotpastenschicht wird mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm aufgebracht. Die Lotpastenschicht umfasst die Kupferkugeln. Die Kupferkaschierung wird auf die Lotpastenschicht aufgelegt. Die Lotschicht wird gebildet durch Schmelzen (und Wiedererstarren) der Lotpastenschicht.

Die Kupferkaschierung kann auf die Lotpastenschicht aufgelegt werden durch Auflegen einer Leiterplatte, die die Kupferkaschierung umfasst, etwa als eine Kaschierung, die auf einem (elektrisch isolierenden) Substrat befestigt ist.
Die Leiterplatte kann nach dem Bilden der Lotschicht bestückt werden.
Die Lotpastenschicht kann mittels einer Schablone aufgebracht werden. Die Lotschicht kann eine strukturierte Schicht, die ggf. unterbrochen ist. Die Kupferkaschierung kann eine strukturierte Schicht sein. Die Kupferkaschierung kann Leiterbahnen aufweisen.
Die 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kühlkörper.
Auf einem Aluminiumträger 1 ist eine Aluminiumschicht 2 aufgebracht. Die Aluminiumschicht 2 ist kaltgasgespritzt. Auf der kaltgasgespritzten Aluminiumschicht 2 ist eine Kupferschicht aufgebracht. Diese ist ebenso kaltgasgespritzt. Eine Kupferkaschierung 5 ist mittels einer Lotschicht 4 auf der kaltgasgespritzten Kupferschicht 3 aufgelötet. Hierbei umfasst die Lotschicht 4 Kupferkugeln K. Die Kupferkugeln K weisen einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm auf. Vorzugsweise beträgt der Volumenanteil der Kupferkugeln weniger als 50%, 10%, 5% oder 2%. Die Kupferkugeln haben einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm. Der Durchmesser der Kupferkugeln kann eine Obergrenzte von 0,5 mm, 0,3 mm oder 0,2 mm haben.
Die Kupferkaschierung 5 ist auf einem Substrat 6 befestigt. Die Kupferkaschierung 5 weist hierbei zu dem Aluminiumträger 1 hin. Die Kupferkaschierung 5 und das Substrat 6 können zusammen eine Leiterplatte bilden. Die Leiterplatte kann ferner beidseitig kaschiert sein und kann insbesondere bestückt sein.
Der Kühlkörper wird insbesondere für eine Leistungselektronikanwendung verwendet, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugbordnetzes, insbesondere als Leistungsmodul eines elektrischen Antriebsstrangs, etwa als Inverter oder Gleichspannungswandler oder als sonstiger Stromrichter.

Claims

Kühlkörper mit einem Aluminiumträger (1), einer auf dem Aluminiumträger (1) kaltgasgespritzten Aluminiumschicht (2) und einer auf der Aluminiumschicht (2) kaltgasgespritzten Kupferschicht (3), wobei eine Lotschicht (4) die kaltgasgespritzte Kupferschicht (3) mit einer Kupferkaschierung (5) verbindet, und die Lotschicht (4) Kupferkugeln (K) umfasst, die einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Lotschicht (4) eine Dicke von mindestens 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm oder 0,5 mm aufweist.
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumschicht (2) eine Dicke von mindestens 0,5 mm aufweist.
Kühlkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Kupferschicht (3) eine Dicke von mindestens 0,1 mm aufweist.
Leistungselektronikmodul, das einen Kühlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist, wobei der Kühlkörper mit einer Schaltung bestückt ist, die eine Leiterplatte aufweist, wobei die Kupferkaschierung (5) eine Kupferkaschierung der Leiterplatte ist oder die Kupferkaschierung (5) mit einer weiteren Kupferkaschierung der Leiterplatte oder mit einem Substrat (6) der Leiterplatte verbunden ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei die Leiterplatte mit mindestens einem Leistungshalbleiter bestückt ist.
Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers nach einem der Ansprüche 1-4, mit den Schritten: Kaltgasspritzen der Aluminiumschicht (2) auf den Aluminiumträger (1) Kaltgasspritzen der Kupferschicht (3) auf die Aluminiumschicht (2), und Aufbringen einer Lotpastenschicht auf die Kupferschicht (3), wobei die Lotpastenschicht mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm aufgebracht wird und die Lotpastenschicht die Kupferkugeln (K) umfasst, wobei die Kupferkaschierung (5) auf die Lotpastenschicht aufgelegt wird und die Lotschicht (4) gebildet wird durch Schmelzen der Lotpastenschicht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kupferkaschierung (5) auf die Lotpastenschicht aufgelegt wird durch Auflegen einer Leiterplatte, die die Kupferkaschierung (5) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Leiterplatte nach dem Bilden der Lotschicht (4) bestückt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Lotpastenschicht mittels einer Schablone aufgebracht wird.